¿Por qué necesito una tierra al simular un circuito? ¡Pensé que el voltaje era relativo entre dos nodos!

La electrónica es muy nueva para mí.

Tomé el circuito más básico que pude pensar: una fuente de voltaje de 1V y una resistencia de 1 Ohm

Según tengo entendido, debería obtener una corriente de (I = V/R) 1 amperio. Pero la simulación no da una solución y dijo que debería haber terreno.

¿Por qué debo tener tierra si tengo una fuente de voltaje que da diferencias de potencial desde sus dos lados?

Adjunto el circuito:

ingrese la descripción de la imagen aquí

https://www.circuitlab.com/circuit/839aaj6y5a6t/simplest-circuit/

GND es el punto al que asigna arbitrariamente 0V. Si no lo tiene, no puede medir ningún potencial contra ese punto.
El voltaje es, por definición, una medida física que involucra dos puntos en el espacio. Por lo tanto, su medición debe identificar los dos puntos en el circuito (diferencial) o asumir una de las ubicaciones como referencia (tierra).
Para agregar a otros. el suministro de voltaje podría tener un punto de referencia de voltaje interno, pero no se hace así para permitir una mayor flexibilidad en el diseño.
Los simuladores generalmente requieren gráficos de circuitos conectados (no es una necesidad, sino una gran conveniencia). El simulador casi siempre tiene un nodo de tierra. El circuito anterior tendrá un componente flotante y un componente que consiste solo en el nodo de tierra.
El voltaje es relativo, pero el simulador necesita saber a dónde hacerlo relativo.
Bueno, en primer lugar, si está tomando una lectura de voltaje entre IN y OUT, será cero a menos que el sim resuelva la pérdida en el cable. En segundo lugar, como se indica a continuación, la forma en que el simulador calcula las matemáticas que necesita para tener un punto de referencia gnd definido para determinar el flujo de corriente. Si está utilizando un gnd positivo, entonces el flujo de corriente será opuesto a lo que está asumiendo.

Respuestas (9)

Tiene toda la razón: el voltaje solo se define entre dos nodos.

En muchos circuitos electrónicos hay una fuente de alimentación de voltaje constante* que se conecta a muchas partes del circuito. Por convención , el terminal más positivo de la fuente de alimentación está etiquetado como "V+" o "Vcc" o...

Por convención , la terminal más negativa de la fuente de alimentación se llama "tierra".

Por convención , a menudo no dibujamos ni la red V+ ni la red de tierra en los diagramas de circuito. En su lugar, conectamos las cosas a un símbolo V+ oa un símbolo de tierra.

Y finalmente, por convención , siempre que hablamos del voltaje en cualquier punto del circuito, implícitamente estamos hablando del voltaje entre ese punto y la red de tierra.

Su herramienta de simulación simplemente cumple con esa última convención. Por lo tanto requiere una red de referencia llamada tierra.

* o, alguna aproximación del mismo

Agregué lo que creo que era un punto faltante en esta excelente respuesta. Siéntase libre de cambiarlo, el inglés no es mi idioma nativo.
Esta respuesta realmente ignora los mecanismos matemáticos internos de los simuladores.
@MassimoOrtolano ¿Cuáles serían esos?
@Hamsterrific Brevemente, dado que las corrientes en un circuito dependen solo de las diferencias de potencial y no solo de los potenciales, si no fija el potencial de un nodo, de un circuito obtiene un sistema de ecuaciones que no tiene una solución única , eso es , siempre hay una infinidad de soluciones, para las cuales los voltajes difieren en una constante. La mayoría de los métodos para las soluciones numéricas del sistema de ecuaciones funcionan solo si los sistemas de ecuaciones tienen una solución única; de lo contrario, fallan. Al fijar la tierra, se asegura de que la solución sea única (si el circuito está bien definido).
Además, incluso si el sistema elige el punto operativo, la representación de números de coma flotante tiene una precisión variable basada en el desplazamiento absoluto desde 0.
@Massimo Ortolano: Incorrecto. Sería igual de posible establecer un sistema de ecuaciones con solución única que represente el circuito sin definición de un nodo GND de referencia. Los voltajes a resolver serían voltajes a través de cada componente (en lugar de potenciales con respecto a un nodo GND). Entonces, la razón real es solo la convención, como dijo James Lange, no una razón matemática.
@Connor Wolf: ¿cómo explica eso algo, ya que es muy probable que el potencial GND de referencia NO sea el voltaje en el punto de operación? (¿y si hay más de un punto de operación? La simulación todavía usaría una GND de referencia)
Aquí hay una descripción general muy breve (3 páginas) que explica cómo funcionan las simulaciones (como SPICE). Creo que aclara algunas de las cuestiones abordadas aquí. También ve que en realidad sería más natural usar solo voltajes entre componentes en lugar de potenciales con respecto a un nodo GND (vea todos los V i − V j expresiones); pero, por supuesto, se hace al revés debido a la convención.
@Curd Soy bastante consciente de cómo funciona Spice ;-) Ciertamente, es posible configurar un sistema de ecuaciones con solución única de una manera alternativa, pero sería más complicado que simplemente arreglar el potencial de un nodo.
@Massimo Ortolano: mi punto es que no solo sería posible, sino que sería aún más fácil configurar el sistema de ecuaciones sin usar potenciales con respecto a un nodo de referencia GND. La razón por la que no se hace es por convención humana, no por las matemáticas.

el detalle de la pregunta es:

Según tengo entendido, debería obtener una corriente de (I = V/R) 1 amperio. Pero la estimulación no da solución y dice que debo tener terreno.

¿Por qué debo tener tierra si tengo una fuente de voltaje que da diferencias de potencial desde sus dos lados?

Todo se reduce a cómo funcionan los simuladores. Los simuladores requieren un punto de referencia y este punto de referencia se designa con el símbolo GND. internamente, el motor determinará la ecuación del sistema y las respuestas frente a esta referencia.

Esta limitación no existe en el mundo real debido a la física.

Exactamente. No hay nada malo con el circuito. El problema es el resultado de una limitación en el simulador.
@PeteBecker No estoy de acuerdo. Una herramienta compleja como un simulador podría muy posiblemente elegir un nodo arbitrario como referencia y luego realizar todos los cálculos contra esa referencia, pero ocultarlo al usuario y solo mostrarle las diferencias de voltaje. Esto sería malo para la experiencia del usuario, pero eso es todo. Por lo tanto , por diseño , para ayudar al usuario, los simuladores requieren que el usuario elija el suelo. Es solo una convención.
Pero aún estaría eligiendo un nodo... El punto es que necesita algo contra lo que hacer referencia. Si eligiera arbitrariamente un nodo cómo y dónde y entre simulaciones estaría poniendo "sondeos". Cada sonda de viaje tendría que ser diferencial (lo cual no es un problema, así es como funciona MATLAB)
@Hamsterrific: tal vez viste mi uso de "limitación" como duro. La razón por la que este circuito no funciona en el simulador es que el simulador agrega requisitos que no están presentes en los circuitos del mundo real. El circuito tal como está dibujado funciona bien, a pesar de que al simulador no le gusta.
Exactamente. Tome un circuito flyback aislado clásico. El lado "flotante" es algo con lo que luchan casi todos los simuladores, ya que no tiene nada contra lo que hacer referencia (SABER es desagradable "errores de maxtrix jacobianos", SIMextrics es un poco más dócil ... Simscape es divertido). La forma clásica de ayudar al simulador es una resistencia de alta impedancia al nodo de referencia. Si el simulador eligió arbitrariamente un nodo, ¿qué sucede si elige el otro lado del XFMR para la próxima simulación? al obligar al usuario a indicar el punto de referencia, proporciona un nivel de certeza a los resultados
Personalmente, odio las herramientas de simulación... con demasiada frecuencia hay que "agregar cosas" para mantener contentos a los simuladores y, para una herramienta tan compleja, no son tan inteligentes... Entonces tienes malos ingenieros que no tienen idea de qué es el cct. destinado a todo en el 1er lugar confiando ciegamente en los resultados

Normalmente se 'supone' que el lado negativo (-) de la fuente de alimentación es 0 V, por lo que si conecta la tierra al lado negativo, será 0 V y el lado positivo (+) será 1 V (GND + diferencia = 0 + 1 = 1)V.

Si pusieras la tierra en el lado positivo, el lado negativo sería -1V.

En efecto. Hay dos nodos en este circuito. Adjunte GND a cada uno por turno y vea lo que hace la simulación; no tomará mucho tiempo.

Estás en lo cierto. El nodo de "salida" no puede medir un voltaje a menos que se le indique el otro punto con el que compararlo. Ese es el único propósito del punto de "tierra".

Si no solicita que se mida un voltaje, podría pensar que al menos podría medir una corriente en un nodo. Pero el SW necesita calcular voltajes para calcular corrientes, por lo que necesita un punto de referencia de tierra para sus propios cálculos.

¿Por qué debo tener tierra si tengo una fuente de voltaje que da diferencias de potencial desde sus dos lados?

La razón es cómo describe el circuito. Tienes razón. todo el voltaje es a través de 2 puntos. No existe tal cosa como "cuál es el voltaje en el punto IN", solo puede decir "cuál es el voltaje entre IN y OUT".

Por lo tanto, para simplificar hablar (y pensar) sobre un circuito, es una práctica común declarar algo en el circuito como "esto es cero" y llamarlo "tierra". Entonces puede decir "El voltaje en IN es 1V", pero lo que realmente quiere decir es "El voltaje entre tierra e IN es 1V".

Se espera que un simulador no funcione sin fundamento con solo mirarlo. Muestra voltajes "en puntos", no "entre puntos". Sin establecer el punto base, no es posible presentar los resultados de esta manera, por lo que no tiene sentido ejecutar la simulación.

Sospecho que hay algunos simuladores que funcionarían. No es un problema técnico, es el problema de cómo se presentan los resultados .

En realidad, no necesitas un "tierra". Lo que necesita es una conexión entre la parte inferior de la resistencia y el terminal inferior (negativo) de la fuente de voltaje. En un simulador esto se hace mediante una lista de conexiones. Si estos dos están conectados a una tubería de agua, la parte superior de una bobina de Tesla, la corriente alterna de 220 voltios, la parte superior de un generador Van De Graf o la cometa de Ben Franklin, la corriente en la resistencia calculada por el simulador será la misma. .

Así que regrese a su simulador y asegúrese de que haya conexiones en DOS puntos DIFERENTES en la fuente de voltaje y en dos puntos diferentes en la resistencia.

Recuerda: ¡la resistencia es inútil!

Intentaré responder a su pregunta en un sentido estrictamente matemático. Comprenderá por qué el pobre tipo llamado simulador no puede encontrar una solución aquí.

Su circuito es el siguiente

ingrese la descripción de la imagen aquí

Llamemos al terminal superior A y al inferior B como se muestra en la figura.

Ahora sabemos por su fuente de voltaje V A − V B = 1 V

También sabemos por el lado de la resistencia que

yo = ( V A − V B ) / R cual es yo = 1

Ahora puedo darte un número infinito de V A y V B que todavía satisfacen V A − V B = 1

Por ejemplo V A = 5 & V B = 4 todavía da V A − V B = 1 y esta es una solución válida.

¿Puedes ver por qué el simulador no puede resolverlo? Bcz no hay una solución única para V A o V B aquí.

Todas las diferencias de voltaje y corrientes todavía están definidas.. Pero los voltajes absolutos no lo están..

Para que se defina el voltaje absoluto (y para que su simulador arroje una solución). Necesitas una referencia. Esa referencia se suele elegir como suelo.

Cuando defines cualquiera V A o V B entonces existe una solución única.

Práctica general siendo .. hacer V B = 0

Vemos que entonces la Solución para V A = 1 Puedes forzar V B a cualquier otro voltaje.

Piensa en una situación aún más simple:

Digamos que hay un edificio de 20 pisos (digamos que cada piso tiene 10 pies de altura). y digamos que estás parado en el piso 12 del edificio.

Si alguien te pregunta a que altura estas parado..

Cuál sería su respuesta ?

120 pies? Está seguro ?

¿Qué pasa si el edificio está en el Monte Everest (que a su vez está a unos 29000 pies del nivel del mar)?

Aunque puedes decir que desde el piso 0 hasta ti... la diferencia es de 120 pies. Aunque puedes decir que desde el primer piso hasta ti... la diferencia es de 110 pies.
No puede definir su altura absoluta a menos que sepa desde dónde está midiendo.

Si está construyendo en el monte Everest y su referencia es el nivel del mar. entonces la altura a la que estás parado es 29000 pies + 120 pies.

Sin embargo, si su referencia es el piso 0, la altura es de 120 pies.

Espero que entiendas la dificultad que enfrenta el simulador.

Simule los dos circuitos a continuación y comprenderá de lo que estoy hablando.

  1. Siendo el piso cero la referencia:ingrese la descripción de la imagen aquí

  2. Siendo el nivel del mar la referencia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Todo lo mejor !!

Cuando usa el botón CircuitLab en la barra de herramientas del editor, sus esquemas editables se incrustan en su publicación. No se necesita una cuenta de CircuitLab. Sin capturas de pantalla. Sin cargas. Sin cuadrícula de fondo.

Para un circuito simple, tienes razón. Su diagrama puede ejecutarse sin conexión a tierra.

En realidad, cuando conecta esos elementos en palabras reales, puede medir la corriente y el voltaje donde quiera, por lo que es legítimo.

El simulador es un software y está diseñado para calcular todos los circuitos posibles, por lo que en algunas curvas se necesita una conexión a tierra para comprender el circuito.

Teniendo en cuenta tu circuito, puedo mostrarte un ejemplo.

Tanto el ánodo como el cátodo se pueden conectar a tierra, ¿verdad?

Supongamos que ponemos el pin positivo de la fuente de alimentación a tierra.

El circuito funcionará bien, pero no tiene sentido que pueda medir un voltaje positivo en el circuito, pero la realidad física no cambiará. (Es decir, la producción de corriente o calor o consumo de energía, etc.)

Si el pin negativo está conectado a tierra, podemos medir el voltaje positivo, pero todo lo demás permanece igual Consumo de energía, calor, corriente y su dirección, etc.

Como dijiste, es relativo, lo que significa que son iguales. Si dices que soy 5 cm más alto que mi amigo o si dices que mi amigo es 5 cm más bajo que yo.

El software te pregunta cuál quieres que diga.

El suelo es el punto de referencia. Donde pongas el suelo cambiará la frase y no los resultados.

Por favor, haga más preguntas si necesita más aclaraciones.

En realidad hay dos razones.

Primero Es una simulación. En el mundo real, si conecta una fuente de alimentación de 1 V (con una alta capacidad de corriente (lo que significa una fuente de voltaje potente, no una batería tipo AA común)) a una resistencia de 1 ohmio, definitivamente obtendrá 1 A sin conexión a tierra.

Pero..

En segundo lugar, también se usa en el mundo real para crear voltajes negativos. Y el simulador quiere saber cuál estás tratando de hacer. Si conecta a tierra el lado negativo de la fuente de alimentación, el circuito es el igual ya que no lo conectó a tierra (casi igual) Pero si conecta a tierra el lado positivo de la fuente de alimentación, aunque la función del circuito no cambia las medidas en el circuito voluntad y eso marcaría la diferencia.

En el primer ejemplo, cuando conecta a tierra la parte inferior (-extremo), tiene 1 V y 0 voltios (tierra), la diferencia es 1 V y la corriente es 1 A. Pero en el segundo ejemplo, cuando conecta a tierra la parte superior (+ extremo) obtendrá tiene -1 V en la parte inferior y 0 voltios en la parte superior, la diferencia es de 1 V y la corriente es de 1 amperio. Ambos circuitos funcionan exactamente de la misma manera, pero las medidas son +1 a 0 versus 0 a -1. Y son diferentes en ese sentido. Entonces el simulador te pide una decisión sobre cuál quieres construir.

Conecté el lado positivo de una poderosa fuente de 1 voltio a un lado de una resistencia de un ohmio, pero la corriente era cero. ¿Necesito una fuente de voltaje más potente?
¿Por qué necesito una tierra al simular un circuito? ¡Pensé que el voltaje era relativo entre dos nodos!
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