La primera vez que traté de hacer el cálculo de corriente para un circuito similar al circuito anterior en un simulador, el programa se quejó de no tener tierra y "fuentes de voltaje flotantes".

Su simulador quiere poder hacer sus cálculos e informar los voltajes de cada nodo en relación con alguna referencia, en lugar de tener que informar la diferencia entre cada posible par de nodos. Necesita que le digas qué nodo es el nodo de referencia.

Aparte de eso, para un circuito bien diseñado, la "tierra" no tiene importancia en la simulación. Sin embargo, si diseña un circuito donde no hay una ruta de CC entre dos nodos, el circuito será irresoluble. Los simuladores similares a SPICE típicos resuelven esto conectando resistencias adicionales, generalmente de 1 GOhm, entre cada nodo y tierra, por lo que es concebible que la elección del nodo de tierra pueda afectar artificialmente los resultados de una simulación de un circuito de muy alta impedancia.

Escogí tierra en la parte inferior, pero ¿estaría bien tomar tierra entre la resistencia de 7 ohmios y 2 ohmios, o en cualquier otro lugar? ¿Y cuál sería la diferencia al analizar el circuito?

Puede elegir cualquier nodo como su terreno de referencia. A menudo, pensamos en el futuro y elegimos un nodo que eliminará los términos de las ecuaciones (estableciéndolos en 0) o simplificando el esquema (permitiéndonos indicar las conexiones a través de un símbolo de tierra en lugar de un montón de líneas que se conectan entre sí).

He leído que hay 3 símbolos de tierra típicos con diferentes significados: tierra del chasis, tierra y señal de tierra. Muchos de los circuitos que he visto en los ejercicios usan tierra o señal de tierra. ¿Qué propósito hay en el uso de tierra? ¿A qué está conectada la tierra de la señal?

La conexión a tierra se usa para indicar una conexión con algo que está conectado físicamente al suelo debajo de nuestros pies. Un cable que atraviesa el edificio hasta una varilla de cobre clavada en el suelo, en un caso típico. Este terreno se utiliza con fines de seguridad. Suponemos que alguien que maneje nuestro equipo estará conectado a algo parecido a tierra por sus pies. Por lo tanto, la conexión a tierra es el nodo de circuito más seguro para ellos, porque no conducirá corrientes a través de su cuerpo.

La tierra del chasis es solo el potencial de la caja o recinto de su circuito. Por razones de seguridad, a menudo es mejor que esté conectado a tierra. Pero llamarlo "chasis" en lugar de "tierra" significa que no ha asumido que está conectado.

La tierra de la señal a menudo se distingue de la tierra física (y se aísla parcialmente de ella) para minimizar la posibilidad de que las corrientes que fluyen a través de los cables de tierra perturben las mediciones de las señales importantes.

Otra pregunta: dado que la tierra tiene un potencial desconocido, ¿no habría corriente fluyendo hacia o desde la tierra hacia el circuito?

Recuerde, se requiere un circuito completo para que fluya la corriente. Necesitaría conexiones a tierra en dos lugares para que la corriente entre y salga de su circuito desde tierra. De manera realista, también necesitaría algún tipo de fuente de voltaje (una batería, una antena o algo así) en una de esas rutas de conexión para tener un flujo sostenido de ida y vuelta entre su circuito y la tierra.

Sin embargo, cuando hay múltiples fuentes de voltaje, algunas de ellas están "flotando". ¿Qué significado tiene el voltaje de una fuente de voltaje flotante?

Si tengo una fuente de voltaje con valor V entre los nodos a y b , significa que la diferencia de voltaje entre a y b será de V voltios. Una fuente de voltaje perfecta generará la corriente necesaria para que esto suceda. Si uno de los nodos está conectado a tierra, eso le da inmediatamente el valor en el otro nodo en su sistema de referencia. Si ninguno de esos nodos es "tierra", necesitará otras conexiones para establecer el valor de los voltajes en ayb en relación con la tierra.

A veces la gente se confunde con las muchas definiciones de la palabra.

sustantivo _

1. la superficie sólida de la tierra; tierra firme o seca: caer al suelo
2. A menudo, motivos. el fundamento o base sobre el cual descansa una creencia o acción; motivo o causa: causal de despido .

En el contexto de la electrónica, a veces tierra significa el sentido 1 anterior. La Tierra es, después de todo, aproximadamente un$6\cdot10^{24} kg$bola de hierro. Como todo lo demás, existe en algún potencial eléctrico , y si coloca una barra conductora larga en la Tierra, puede conectar otras cosas a esa barra con aproximadamente el mismo potencial:

Por supuesto, la Tierra es realmente grande. No todo tiene el mismo potencial. De hecho, ni siquiera cerca. El enorme campo magnético de la Tierra cambia constantemente e induce corrientes por toda la Tierra. Otras personas tienen sus propias varas clavadas en la Tierra y ponen corrientes en la Tierra. Los relámpagos mueven una tremenda corriente en la Tierra. Dado que la Tierra no es un conductor perfecto y, según la ley de Ohm, cualquier corriente a través de cualquier resistencia debe ir acompañada de un voltaje, el potencial entre dos puntos de la Tierra no es el mismo, a menos que tenga suerte o los puntos estén muy cerca uno del otro.

Y, si alguna vez ha operado un dispositivo alimentado por batería, sabe que los dispositivos electrónicos pueden funcionar perfectamente sin una conexión a tierra. Sin embargo, estos dispositivos tienen conexión a tierra. Por lo tanto, este probablemente no sea el sentido de conexión a tierra que debe usar como base de su comprensión eléctrica. El otro sentido, la base sobre la que descansa una creencia , es probablemente un mejor comienzo.

Es una observación muy astuta que su confusión también involucre voltaje. Tierra es, en pocas palabras,$0V$. Pero para entender lo que esto realmente significa, uno debe entender realmente el voltaje. Mucha gente cae en la trampa de pensar que como la tierra es$0V$, entonces tierra es donde no hay voltaje. Por lo tanto, debe haber voltaje en todas partes. Pero, una vez que entiendes el voltaje, ves que esto no puede ser cierto.

Entonces , ¿ qué es el voltaje ? El término más riguroso para esto es diferencia de potencial eléctrico . Las tres palabras son parte de la comprensión del voltaje. Eléctrico es obvio.

¿Qué pasa con el potencial ? El potencial tiene un significado específico en física. La energía potencial es la capacidad de algún arreglo de cosas para realizar un trabajo . Por ejemplo, un resorte comprimido, un arco estirado o un tanque de gas a alta presión tienen el potencial de realizar un trabajo, si se liberan.

Imagina una pelota en lo alto de una rampa. Si se permite que la pelota ruede por la rampa, en la parte inferior, se moverá bastante rápido. Adquirió esta energía cinética de la energía potencial que tenía en la parte superior de la rampa. Si no hubo otras pérdidas (fricción, por ejemplo), entonces la energía cinética ganada por la pelota es igual a la energía potencial que perdió, por la ley de conservación de la energía .

Eso es energía potencial . Solo el potencial en sí mismo tiene una definición diferente: es energía potencial por unidad de materia en algún punto de un sistema. Obviamente, una bola masiva en la parte superior de la rampa tiene más energía potencial que una bola pequeña en la parte superior de la misma rampa. Entonces, las dos bolas tienen diferentes energías potenciales en la parte superior de la rampa, pero tienen el mismo potencial.

El tipo de material relevante depende del tipo de potencial. Para los campos de gravedad, el material es masa. Para campos eléctricos, el material es carga . La energía potencial se mide en julios . El potencial gravitatorio se mide en$J/kg$. Entonces, el potencial eléctrico se mediría en julios por coulomb ($J/C$), que en realidad, es exactamente la definición del voltio .

Así que antes dijimos que el voltaje es la diferencia de potencial eléctrico . ¿Cuál es la diferencia ? Imagina de nuevo nuestra rampa. Si asume que la gravedad es igualmente fuerte en cualquier parte de la Tierra (esto es solo aproximadamente cierto , pero es una suposición simplificadora válida para gran parte de la ingeniería práctica), entonces, ¿importa la ubicación de la rampa? Puede ser en el Valle de la Muerte o en el Monte Everest : la pelota, después de rodar por la rampa, tendrá al final la misma energía cinética. El potencial en la parte superior e inferior de la rampa es irrelevante; lo importante es la diferenciaen potencial entre la parte superior y la inferior. Si asumimos que el campo de gravedad de la Tierra es el mismo donde sea que tomemos esta rampa, entonces solo la altura de la rampa es relevante.

Entonces, dado que el voltaje es una diferencia , necesitamos dos puntos para tener un voltaje. Si decimos que algún nodo en un circuito es$5V$, entonces estamos diciendo que es$5V$más que algún otro punto. El terreno es ese otro punto, a menos que el contexto diga lo contrario.

Existe una convención similar con la altura. Si digo que la altura del monte Everest es$8848 m$, asumirás que quiero decir que su altura es$8848m$ más que el nivel del mar . También puedo anular esta referencia con un contexto explícito. Por ejemplo, puedo decir que el monte Everest es$237m$superior a K2 . La referencia predeterminada también puede cambiar. Por ejemplo, si digo que Olympus Mons es$21229 m$, probablemente no asuma que esto está sobre el nivel del mar, sino algún dato equivalente en Marte. No existe una referencia universal para la elevación.

Por eso el suelo es$0V$, tal como es el nivel del mar$0m$. No es que la tierra no tenga voltaje, o que el nivel del mar no tenga elevación: es que estas cosas son diferencias , y la diferencia entre una cosa y ella misma es$0$. Por lo tanto, no hay magia sobre el suelo . No hace nada . Es solo un nodo en el circuito, como cualquier otro. Es solo por definición que también es$0V$, y esta definición existe solo como una convención para simplificar nuestra discusión de un circuito. No hay base universal o$0V$hasta que definamos algo como tal. Por lo general, es solo lo que decidamos colocar en el símbolo del suelo. Podemos ponerlo donde queramos, pero generalmente lo ponemos donde hace que los cálculos sean más fáciles y la discusión más simple.

Preguntas relacionadas:

• ¿El voltaje es un delta? ¿Se puede tratar siempre como una diferencia de potencial desde un punto de referencia?
• ¿Diferencia entre terminal negativo y tierra de cobre?

Vea mi respuesta aquí sobre qué es la tierra y cómo se usa el término "tierra" en electrónica. Partes significativas de esa respuesta también son relevantes para la pregunta aquí.

Varias definiciones de suelo.

Asumiré que conoce la diferencia entre energía potencial eléctrica, potencial eléctrico y voltaje/tensión eléctrica/presión eléctrica/diferencia de potencial eléctrico.

La palabra tierra se usa para muchas cosas diferentes. Creo que la siguiente es una lista exhaustiva:

1. En electrónica y teoría/análisis de circuitos, la tierra es el nodo con respecto al cual se miden todos los demás voltajes nodales, independientemente de cuál sea el potencial eléctrico del nodo de tierra . En este contexto, es mejor llamar a este nodo como el nodo/punto de referencia o el nodo/punto común , pero desafortunadamente casi nadie los llama así (digo que es desafortunado porque le da a la palabra terreno aún más significados).

   Elegir este nodo de referencia es lo que hacemos en el análisis de nodos como primer paso, y lo que hacemos cuando medimos voltajes de un circuito físico con un osciloscopio, y lo que todos o la mayoría de los simuladores de circuitos (LTspice, PSpice, Multisim, etc.) hacen o requieren que hagamos (colocando un símbolo de tierra y conectándolo a al menos un nodo).

   Desafortunadamente, muchos libros de texto sobre análisis de circuitos y probablemente todos los simuladores de circuitos usan el símbolo de tierra para indicar el nodo de referencia, incluso si dicho nodo no está conectado a tierra (lea la definición #4; los simuladores deberían usar un símbolo diferente que deberíamos llamar el símbolo del nodo de referencia). , para distinguirlo del terreno real (lea las definiciones #2 y #3).

2. La tierra es el nodo o punto en el espacio definido como cero voltios de potencial eléctrico (no cero voltios de voltaje ) . En teoría electromagnética, es necesario elegir un punto y definir como 0 V de potencial eléctrico, antes de calcular el potencial en cualquier otro punto del espacio. Por lo general, elegimos el suelo de la Tierra (lea la definición #3) o un punto infinitamente lejos de la región del espacio en estudio.

   Al conectar o unir una terminal de un cable o conductor de pequeña resistencia o impedancia al nodo de tierra, la otra terminal de dicho cable estará muy cerca del mismo potencial que el cable de tierra. (No está exactamente en el potencial de tierra porque los cables reales tienen resistencia/impedancia, a diferencia de los cables ideales y los superconductores).

   Tenga en cuenta que la definición n. ° 2 dice que la tierra es el punto definido como cero voltios de potencial eléctrico, no de voltaje. La razón es porque decir "este nodo arbitrario tiene voltaje cero" no tiene sentido solo con esa oración. El voltaje es una medida entre dos puntos en el espacio (y, en general, el camino entre los dos puntos), pero si dice "el nodo de tierra tiene cero voltaje", la pregunta de seguimiento es "¿con respecto a qué otro nodo?", porque no tiene sentido hablar del voltaje en un solo punto (similar a la altura en un solo punto). Si su respuesta a la pregunta anterior es "con respecto a sí mismo", entonces esa definición de tierra no sería útil, porque todos los nodos tienen voltaje cero con respecto a sí mismos, por lo que de acuerdo con esa definición, todos los nodos son tierra. Así que no digas que el suelo tiene voltaje cero, tiene potencial eléctrico cero. Si está en los EE. UU. y mide el voltaje del cable vivo con respecto a sí mismo, el voltímetro marcará cero voltios, no 120 V RMS ni 240 V RMS.

3. El suelo es el suelo del planeta Tierra, como en donde estamos parados; el suelo Esto también se llama tierra de CA.

4. El verbo to ground ( puesta a tierra ) (terminología de EE. UU.) o to earth ( puesta a tierra ) (terminología de Reino Unido), que significa conectar/unir un dispositivo/carga/componente a tierra (definición n.º 3).

5. En los EE. UU., el panel principal de interruptores de una casa tiene una barra colectora de tierra , conectada a la barra colectora neutral y separada de la barra colectora neutral en subpaneles. Lee esta respuesta .

6. La barra colectora de tierra (lea la definición n.° 5) del panel principal del interruptor automático se conecta a tierra (lea la definición n.° 4) mediante el uso de una varilla de conexión a tierra fuera de la casa/edificio. Los sistemas de energía y las subestaciones también tienen varillas de tierra.

7. Los electrodomésticos tienen un cable a tierra/conexión a tierra (terminología estadounidense), además de los dos cables con corriente/vivo/activo (para electrodomésticos de 240 V) o además del cable con corriente y el cable neutro/ con conexión a tierra (para electrodomésticos de 120 V) en los EE. UU. Para esta definición, así como la n.° 5 y la n.° 6, mire este video , este video y este video .

8. Hay una condición en un circuito conocida como bucle de tierra . Mira este video , este video y este video . Debido a que en los EE. UU., muchos transformadores de distribución tienen el terminal central del devanado de fase dividida de bajo voltaje conectado a tierra (mediante el uso de una barra de conexión a tierra), técnicamente hablando, hay muchos bucles de tierra en la red eléctrica de los EE. UU.

9. El símbolo de conexión a tierra (para la definición #3), que tiene tres segmentos de línea paralelos horizontales de longitud decreciente; el símbolo de conexión a tierra del chasis (para el chasis o la carcasa de un equipo o del automóvil, incluso si no está conectado a tierra [lea la definición n.º 4]), que tiene segmentos de líneas diagonales paralelas; el * símbolo de tierra/símbolo de señal de tierra (para la definición n.° 1, incluso si no está conectado a tierra), que es un triángulo hueco o relleno. Lea esta respuesta y esta página web .

   El uso de múltiples símbolos de tierra de señal en un diagrama/esquema de circuito permite dibujar el diagrama con menos cables, lo que facilita y agiliza la lectura.

10. En electrónica, el nodo de tierra, riel de tierra o simplemente tierra es el nodo o riel del circuito donde se conecta el terminal negativo del suministro de CC o la batería, incluso si dicho nodo no está conectado a tierra (lea la definición #4) . Por lo general, tiene un terminal de muchos dispositivos/componentes conectados a él. También se le llama tierra de CC . Desafortunadamente, podemos usar el símbolo de tierra (lea la definición #9) para indicar dicho nodo (así como en el análisis de nodos y los simuladores de circuito para el nodo de referencia [lea la definición #1]), lo que puede dar la impresión de que dicho nodo está conectado a tierra. , cuando en realidad no puede ser.

11. El pin de tierra de un chip integrado.

Tenga en cuenta que las definiciones que usan la palabra tierra sola que pueden confundirse son las definiciones #1, #2, #3 y #10.

Tus preguntas

La primera vez que traté de hacer el cálculo de corriente para un circuito similar al circuito anterior en un simulador, el programa se quejó de no tener tierra y "fuentes de voltaje flotantes". Después de buscar un poco, aprendí que los circuitos necesitan tierra como punto de referencia o por razones de seguridad. Se mencionó en una explicación que uno puede elegir cualquier nodo como tierra, aunque es costumbre diseñar circuitos de modo que haya un "lugar fácil" para tomar tierra.

Correcto. En la oración anterior, su primer uso de suelo (en "como punto de referencia) es como se define en la definición #1, por lo que lo llamaré nodo de referencia ; su segundo uso (en "o por razones de seguridad") puede ser como se define en las definiciones #5, #6 y #7 (están relacionadas; vea los videos en la definición #7).

Escogí tierra en la parte inferior, pero ¿estaría bien tomar tierra entre la resistencia de 7 ohmios y 2 ohmios, o en cualquier otro lugar? ¿Y cuál sería la diferencia al analizar el circuito?

Sí, estaría bien. En general, todos los voltajes nodales cambiarían, pero los voltajes de los elementos ( es decir , los voltajes entre dispositivos, como todos los tipos de fuentes ideales independientes y dependientes, resistencias, capacitores, inductores, diodos, etc.)

El enfoque general para el análisis sería el mismo (aplicar KCL en todos los nodos excepto el nodo de referencia, usar las ecuaciones de voltaje-corriente de los elementos, derivar ecuaciones auxiliares para fuentes dependientes y supernodos, escribir los voltajes de los elementos en términos de voltajes nodales, resolver), excepto el hecho de que las expresiones específicas (o valores numéricos) serían diferentes.

He leído que hay 3 símbolos de tierra típicos con diferentes significados: tierra del chasis, tierra y señal de tierra. Muchos de los circuitos que he visto en los ejercicios usan tierra o señal de tierra. ¿Qué propósito hay en el uso de tierra? ¿A qué está conectada la tierra de la señal?

Como dije en def. #9:

• El símbolo de conexión a tierra se utiliza para la definición. #3 ( es decir , indicando una conexión del nodo con la tierra física).

• El símbolo de conexión a tierra del chasis se utiliza para indicar una conexión del nodo con el chasis o la carcasa de un equipo o el automóvil, incluso si no está conectado a tierra (léase def. #4).

• El símbolo de tierra/símbolo de señal de tierra se usa para def. #1 ( es decir , para indicar el nodo de referencia para el análisis de nodos, simuladores de circuitos y medir voltajes con un osciloscopio), incluso si no está conectado a tierra.

Otra pregunta: dado que la tierra tiene un potencial desconocido, ¿no habría corriente fluyendo hacia o desde la tierra hacia el circuito? Por lo que he leído, tratamos la tierra como 0V, pero ¿no habría algún tipo de efecto debido a una diferencia en el potencial del circuito y la tierra? ¿Sería diferente el efecto según el suelo que se usara?

Si la corriente (carga o partículas cargadas, para ser precisos) fluye a través del símbolo de tierra en un diagrama de circuito depende de cómo se dibuje el circuito. Un circuito dado se puede dibujar de diferentes maneras y, en algunas formas, la corriente fluirá a través del símbolo de tierra, mientras que en otras no. Lea esta respuesta que escribí para un ejemplo e ilustraciones.

Finalmente: en el análisis nodal, uno habitualmente elige una tierra en la terminal negativa de la batería. Sin embargo, cuando hay múltiples fuentes de voltaje, algunas de ellas están "flotando". ¿Qué significado tiene el voltaje de una fuente de voltaje flotante?

En la oración anterior, usó terreno como se define en def. #1, así que lo llamaré nodo de referencia .

Considere dos circuitos súper simples (una fuente de voltaje en serie/paralelo con una resistencia, para cada circuito), que están conductivamente aislados entre sí ( es decir , no hay cables que conecten ningún nodo entre ellos). Suponga que elige el nodo de la terminal negativa de la fuente de voltaje de uno de los circuitos como nodo de referencia (lea la definición #1), como se muestra en la siguiente figura. Entonces, es imposible determinar los voltajes nodales del otro circuito. Ni usted ni un simulador de circuitos podrían resolver las ecuaciones de los voltajes nodales, porque no habría ecuaciones conocidas que relacionaran los voltajes o las corrientes entre ambos circuitos.

Para resolver este problema, podría conectar el nodo del terminal negativo de la fuente de voltaje del segundo circuito al del primer circuito, como se muestra en la siguiente figura.