¿Por qué un circuito debe estar conectado a tierra?

¿Por qué un circuito de transistor debe estar conectado a tierra? La forma en que lo entiendo es que la tierra es un suministro infinito de electrones, por lo que es equivalente a la terminal negativa de una batería. Pero en esta página , hay una terminal negativa y el circuito también está conectado a tierra. Si entendí bien, para que un circuito esté completo, necesitamos una terminal positiva, algunos elementos del circuito y una terminal negativa. Si la conexión a tierra es equivalente a una terminal negativa, ¿por qué la necesitamos en el circuito que se muestra arriba? (Por cierto, todos los circuitos en el libro al que me refiero no estaban conectados a tierra hasta que los transistores comenzaron. Se podría decir que eso aumentó la confusión)

El concepto de una tierra relativa se vuelve interesante cuando se trata de muchos circuitos diferentes, alimentados por una variedad de suministros y compartiendo señales de datos. Hace algunos años construimos una exhibición interactiva (demostrando la captura y el almacenamiento de carbono), que incorporó una buena docena de fuentes de alimentación de diferentes voltajes de CC, así como un chasis de National Instruments que manejaba algunas tarjetas de señal y datos. Solo cuando cada 'tierra' en cada circuito se ató a la tierra del chasis NI DAQ, la exhibición funcionó. (La mayoría de los adaptadores de CC tienen una patilla de tierra de plástico en el enchufe de red: ni siquiera están interesados ​​en el "real"

Respuestas (5)

El término "tierra" puede significar cosas diferentes. Cuando se observa un circuito localmente, la tierra es simplemente la única red que alguien eligió para llamar 0V para que se entienda que todos los demás voltajes son relativos. El voltaje es después de todo un concepto relativo. No existe tal cosa como 20V absolutos, solo 20V aquí con respecto a allá . "Ground" es una forma abreviada útil para un común allí , por lo que no tiene que seguir diciéndolo.

Tal tierra a menudo se elige para que sea el voltaje de suministro negativo. Eso hace que otros voltajes sean positivos, lo que facilita las cosas mentalmente. En general, intenta elegir tierra como el punto en las señales del circuito y similares a las que se hace referencia en subsecciones individuales. Por lo general, hay una opción clara y obvia. A veces solo tienes que elegir uno.

El otro "tierra" se refiere al potencial real de la tierra, o al menos al potencial del entorno general. Esto es importante cuando la energía y las señales provienen o salen de su pequeño circuito. Por energía y seguridad, debe asumir que un usuario podría estar atado a esta tierra, y debe asegurarse de que no tiene un potencial peligroso a tierra para evitar electrocutar a alguien. La conexión a tierra también puede ser importante para los sistemas de radio, ya que algunos tipos de antenas utilizan la tierra como parte del sistema de antena general.

Se necesitaría una cantidad finita de energía para impulsar un electrón a una distancia infinita de un protón. Como tal, uno podría definir "cero voltios absolutos" como la energía de un protón que estaba infinitamente lejos de un electrón, y definir otros voltajes en relación con eso. Creo que una analogía más útil podría ser la elevación; uno podría definir la elevación en términos de distancia desde el centro de la tierra, y teóricamente podría medir la estatura de una persona restando la elevación de sus pies de la de su cabeza, pero es mucho más práctico...
...para medir la distancia entre la cabeza y los pies directamente. En el caso de los voltajes, el nivel de incertidumbre en cualquier medida de voltaje absoluto superaría con creces cualquier voltaje relativo de interés. La medida absoluta existe conceptualmente, pero no como algo útil en la práctica.
Como ejemplo de allí , un medidor de voltaje toma la diferencia entre los dos cables. De esta forma, el voltaje leído en la pantalla del medidor es la diferencia de potencial con respecto al otro cable. La mayoría de las veces, uno de los cables que usa será el punto en su circuito que ha definido como tierra .
También tenga en cuenta que desde un punto de vista matemático, el voltaje no es más que la energía requerida para mover una unidad de carga (1 C) de un punto a otro. El otro punto es su punto de interés y el primer punto suele estar molido . El voltaje se mide en unidades de julios/culombio (J/C). De wiki :voltage [is] work done per unit charge against a static electric field to move the charge between two points.

Desde la perspectiva del circuito, la conexión a tierra es relativa: es solo un nombre para un cable (traza, red, nodo, etc.) al que se pueden medir o controlar otras cosas en referencia. Como tal, es en gran medida arbitrario: por ejemplo, hay (o al menos había) vehículos de motor en los que el terminal positivo de la batería en lugar del negativo estaba conectado a la tierra del chasis. La adición de un símbolo de tierra en su libro en el mismo momento en que se introdujeron los transistores es un cambio de estilo coincidente o un aumento general en la sofisticación de los diagramas en un punto en el que la complejidad aumenta y, por lo tanto, crea principios de organización. como la idea de un "nodo de tierra" más valiosa.

En un circuito de comunicación, especialmente una radio, "tierra" puede tener algún significado literal o al menos la implicación de una conexión a tierra (potencialmente una estaca conductora enterrada en el suelo, posiblemente con el suelo circundante tratado químicamente si no es lo suficientemente conductivo). Pero eso puede no ser cierto de manera confiable para un walkie-talkie de mano, y ciertamente no es cierto para una instalación de radio de aeronave; de ​​hecho, el potencial de la "tierra" de la aeronave puede volverse bastante diferente del de la "tierra" durante el vuelo. .

Pero mientras que en los circuitos pensamos en "tierra" como algo puramente relativo, en química y física existe un concepto de carga neutra que en realidad es absoluto. Una carga neutra es lo que tendrías en un átomo o molécula con el mismo número de protones y electrones, o alguna unidad más grande de materia con el mismo número neto. La carga absoluta de un objeto determina la fuerza de la regla de la mano derecha que experimentaría si se moviera a través de un campo magnético, mientras que la carga relativa a otra carga cercana determinará el campo eléctrico (y la fuerza resultante) establecida entre los dos.

Debido a que también podemos crear un campo eléctrico entre dos puntos en un circuito, podría ser tentador pensar que "tierra" tiene carga neutra, pero en última instancia, no hay nada que diga que debe ser así. De hecho, en relación con la atmósfera, la tierra tiene carga negativa, aunque no encuentro una respuesta rápida en cuanto a la carga absoluta de la tierra, la atmósfera significativa o las dos juntas. Presumiblemente, estamos ligeramente sujetos al campo magnético del sol, por lo que si la Tierra tuviera una carga neta lo suficientemente sustancial, causaría alguna perturbación orbital, pero el tema del magnetismo solar es enormemente complicado, incluidos los bucles de campo llamados manchas solares que tienen su propio más efectos obvios en las comunicaciones por radio y cables largos aquí en la tierra...

Eso significa que una conexión a tierra no significa una terminal negativa como mencioné en mi pregunta. Es algo así como un nivel 0 para medir diferencias de potencial. Si mido la diferencia de potencial entre el suelo y el terminal positivo de una celda, entonces el suelo actúa como un terminal negativo equivalente. Si hago lo mismo con el terminal negativo, la tierra ahora actúa como un terminal positivo equivalente. ¿He entendido bien el concepto?
Incluso entonces, no reconozco la importancia de mencionar la tierra en el diagrama del circuito. ¿Puedes aclarar por favor?
El significado real de la tierra generalmente no proviene de que se le llame "tierra", sino de lo que se conecta a ella. Si lo conecta al terminal negativo de la batería, puede medir un voltaje positivo entre el terminal positivo y tierra; si conecta tierra al terminal positivo de la batería, puede medir un voltaje negativo entre tierra y el terminal negativo. A menudo, la elección de qué punto en su circuito llamar tierra es puramente por organización o preferencia, aunque puede haber algunos casos especiales en los que la física hace que una situación sea más ventajosa que otra.
Además, si tiene un circuito aislado (alimentado por batería, sin tocar nada conductor) no hay absolutamente ningún significado eléctrico para colocar un solo símbolo de tierra en su diagrama. Sin embargo, si coloca dos símbolos, la idea es que estén conectados por algún cable físico (quizás el propio gabinete) que no se muestra en el diagrama. Los circuitos más avanzados inventarán símbolos adicionales para cables no dibujados, generalmente voltajes de suministro y, ocasionalmente, señales nombradas que aparecen nuevamente en varios lugares del circuito que sería complicado conectar con líneas dibujadas.
@ChrisStratton, ¿no es relevante para la protección del usuario? Agregaría una caja con conexión a tierra a cualquier circuito que extraiga energía por seguridad.
@Kortuk: piénselo, en un circuito sin conexión a nada más como se especifica en mi ejemplo, no importa dónde coloque un símbolo de tierra, o incluso si coloca uno allí. Pero agregue una fuente de alimentación externa a la que una persona pueda estar conectada, entonces, sí, generalmente es una buena idea tener cualquier parte conductora del circuito o recinto con el que el usuario pueda entrar en contacto conectado a la misma tierra que el Fuente de alimentación externa.
@ChrisStratton, lo he pensado. Si uso una batería, no necesitaría conectar la carcasa a tierra, me doy cuenta de esto, me refería a su respuesta en general. La razón principal por la que conecta parte de su circuito a una tierra externa en lugar de a su línea neutral es por seguridad. razones. Desea fallar la alimentación de sus circuitos fuera de línea si las señales calientes tocan su caja de metal.
@Kortuk: sí, pero eso solo tiene sentido porque la fuente de energía ha establecido una idea de qué es "tierra", que heredas cuando decides usar esa fuente de energía. Con una fuente de energía diferente habría una idea diferente. Con baterías, o un suministro externo común aislado de 2 hilos, no hay una conexión a tierra externa disponible para heredar.
@ChrisStratton, en el área de la pregunta, asumiría que esa es la única razón razonable para agregar la conexión a tierra, pero como siempre, podría haberse agregado porque alguien les dijo que un cable a tierra ayudaría con el ruido.
@Kortuk: por el contrario, en un capítulo sobre transistores como se cita en la pregunta, sospecho firmemente que la idea de una conexión a tierra se usa con fines de organización del circuito; probablemente se dejen temas como la seguridad de la fuente de alimentación y el blindaje de interferencias. otros capítulos si no otros libros.
@ChrisStratton, mi error entonces.

Chris proporcionó una respuesta más compleja, así que haré una simple.

Esta confusión es principalmente un problema del idioma inglés que usa el mismo nombre para diferentes conceptos. Por ejemplo, en alemán, este nuevo suelo extraño se llamaría masa y es un poco diferente al suelo real.

Básicamente, la masa es solo un nodo conveniente en el circuito. En teoría, puede ser absolutamente cualquier nodo en el circuito (más sobre eso en la respuesta de Chris), pero en la práctica, es solo una forma más simple de mostrar la conexión al terminal negativo de la batería. Por ejemplo, eche un vistazo a este circuito. Aquí conecté el terminal negativo de la batería a tierra y el cátodo del diodo a tierra. Eso es lo mismo que este circuito donde el cátodo está explícitamente conectado al terminal negativo de la batería.

Otra cosa que generalmente viene con la masa es la fuente de voltaje de un terminal. Echa un vistazo a este circuito. Es igual que los otros dos, pero aquí no vemos la batería en absoluto. La ventaja de usar este enfoque es que ahora te estás metiendo en la electrónica real y puedes esperar circuitos más complejos. Pueden volverse muy complicados de leer muy rápidamente, por lo que la fuente de voltaje de un terminal y los símbolos de "tierra" se usan para mostrar que el componente está conectado a la batería. Por ejemplo, en este circuito, es completamente irrelevante para el circuito mismo cómo se ve la fuente de voltaje y cómo se conecta el emisor del transistor a la terminal negativa.

A menudo, tiene una conexión a tierra separada para conectar la carcasa y el escudo de su dispositivo a través de la tierra. Esto permite circuitos de protección y protege a los usuarios de la línea directa que hace un cortocircuito en la carcasa y pone en peligro al usuario.

Aquí hay dos imágenes divertidas que ilustran una tierra gravitacional ...

suelo gravitatorio

... y una tierra eléctrica .

tierra electrica

La conexión a tierra y la puesta a tierra en un sentido más amplio son los mismos conceptos. Son los conceptos relacionados con el voltaje relativo. Cada vez que tomamos algo con 0 voltios (potencial nulo), se lo denomina conexión a tierra. a 0 V y el positivo está a 5 V. Esto es a tierra. Y cuando no tomamos a tierra, significa que el positivo está a 2,5 V y el negativo a -2,5 V, lo que nuevamente lo convierte en 2,5-(-2,5) = 5 V . Por lo tanto, GROUNDING no es más que la referencia de lo que estamos tomando con respecto a 0V.

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