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

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La electrónica es muy nueva para mí.

Tomé el circuito más básico que se me ocurrió: 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 tener terreno.

¿Por qué debería tener conexión a tierra si tengo una fuente de voltaje que ofrece diferencias potenciales de sus dos lados?

Adjunto el circuito:

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

circuit-analysis circuit-design

— usuario135172
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GND es el punto al que asigna arbitrariamente 0V. Si no lo tiene, no puede medir ningún potencial contra ese punto.

— PlasmaHH

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).

— vicatcu

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Para agregar a los demás. el suministro de voltaje podría tener un punto de referencia de voltaje interno, pero no se hace para permitir una mayor flexibilidad en el diseño.

— R.Joshi

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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.

— copper.hat

El voltaje es relativo, pero el simulador necesita saber dónde hacerlo.

— usuario253751

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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 tiene la etiqueta "V +" o "Vcc" o ...

Por convención , el terminal más negativo 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 cambio, conectamos las cosas a un símbolo V + o, a un símbolo de tierra.

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

Su herramienta de simulación simplemente está honrando esa última convención. Por lo tanto, requiere una red de referencia llamada tierra.

* o alguna aproximación de los mismos

— Salomón lento
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Esta respuesta realmente ignora los mecanismos matemáticos internos de los simuladores.

— Massimo Ortolano

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@MassimoOrtolano ¿Cuáles serían esos?

— Pedro A

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@Hamsterrific Brevemente, dado que las corrientes en un circuito dependen solo de las diferencias de potencial y no solo de los potenciales, si no arreglas el potencial de un nodo, de un circuito obtienes un sistema de ecuaciones que no tiene una solución única , es decir , 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 fallarán. Al fijar el terreno, se asegura de que la solución sea única (si el circuito está bien definido).

— Massimo Ortolano

1

Además, incluso si el sistema elige el punto de operación, la representación del número de coma flotante tiene una precisión variable basada en el desplazamiento absoluto de 0.

— Connor Wolf

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@ 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 convenciones humanas, no por las matemáticas.

— Cuajada

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Los detalles de la pregunta son:

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

¿Por qué debería tener conexión a tierra si tengo una fuente de voltaje que ofrece diferencias potenciales de 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 contra esta referencia.

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

— JonRB
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Exactamente. No hay nada malo con el circuito. El problema es el resultado de una limitación en el simulador.

— Pete Becker

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@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 ocultárselo al usuario y solo mostrará diferencias de voltaje al usuario. 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 terreno. Es solo una convención.

— Pedro A

Pero todavía estaría eligiendo un nodo ... El punto es que necesita algo a lo que hacer referencia. Si eligiera arbitrariamente un nodo, cómo y dónde y entre simulaciones, estaría poniendo "sondas". Cada sonda de viaje debería ser diferencial (que no es un problema así es como funciona MATLAB)

— JonRB

@Hamsterrific - tal vez viste mi uso de "limitación" como duro. La razón por la que este circuito no funciona en el simulador es porque el simulador agrega requisitos que no están presentes en los circuitos del mundo real. El circuito dibujado funciona bien, a pesar de que al simulador no le gusta.

— Pete Becker

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Personalmente, odio las herramientas de simulación ... con demasiada frecuencia hay que "agregar cosas" para mantener contentos a los simuladores y, por lo que llaman una herramienta compleja, no son tan inteligentes ... Entonces tienes malos ingenieros que no tienen idea de qué es el cct significaba hacer todo en el primer lugar confiando ciegamente en los resultados

— JonRB

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

Si coloca el suelo en el lado positivo, el lado negativo sería -1V.

— Michel Keijzers
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En efecto. Hay dos nodos en este circuito. Adjunte GND a cada uno y vea lo que hace la simulación; No tomará mucho tiempo.

— Brian Drummond

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

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 los voltajes para calcular las corrientes, por lo que necesita un punto de referencia de tierra para sus propios cálculos.

— Merlin3189
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¿Por qué debería tener conexión a tierra si tengo una fuente de voltaje que ofrece diferencias potenciales de 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 tierra con solo mirarlo. Muestra voltajes "en puntos", no "entre puntos". Sin establecer el punto de fondo, 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 .

— Agent_L
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En realidad, no necesitas un "terreno". 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 .

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

Recuerde: ¡la resistencia es inútil!

— richard1941
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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

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

Ahora sabemos por su fuente de voltaje $V_A - V_B = 1V$

También sabemos por el lado de la resistencia que

$I = (V_A - V_B) / R$ cual es $I= 1$

Ahora puedo darte un número infinito de $V_A$ y $V_B$ que aún satisfacen $V_A - V_B = 1$

Por ejemplo $V_A=5$ Y $V_B=4$ todavía da $V_A-V_B=1$ Y esta es una solución válida.

¿Puedes ver por qué el simulador no puede resolverlo? Porque 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.

Para definir el voltaje absoluto (y para que su simulador arroje una solución). Necesitas una referencia Esa referencia generalmente se elige como base.

Cuando define cualquiera $V_A$ o $V_B$ entonces existe una solución única.

Practica general siendo .. hacer $V_B=0$

Vemos que entonces la solución para $V_A=1$ Puedes forzar $V_B$ a cualquier otro voltaje.

Piense 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 qué altura estás parado ...

Cuál sería su respuesta ?

120 pies? Estás 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 eso desde el piso 0 para ti ... la diferencia es de 120 pies. Aunque puede decirlo desde el primer piso hasta usted ... la diferencia es de 110 pies.
No puede definir su altura absoluta a menos que sepa desde dónde está midiendo.

Si está construyendo está 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.

El piso Zeroth es la referencia:
El nivel del mar es la referencia:

Todo lo mejor !!

— Sharanaprasad Melkundi
fuente

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

— Transistor

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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 de tipo AA común)) a una resistencia de 1 Ohm, 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 está tratando de hacer. Si conecta a tierra el lado negativo de la fuente de alimentación, el circuito es igual que no lo hizo (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 (- final) 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 (+ final) tiene -1 V en la parte inferior y 0 voltios en la parte superior, la diferencia es 1 V y la corriente es 1 Amper. Ambos circuitos funcionan exactamente de la misma manera, pero las mediciones son +1 a 0 versus 0 a -1. Y son diferentes de esa manera. Entonces, el simulador le pide una decisión sobre cuál desea construir.

— mnu
fuente

Conecté el lado positivo de una potente fuente de 1 voltio a un lado de una resistencia de un ohm, pero la corriente era cero. ¿Necesito una fuente de voltaje más potente?

— richard1941