Por que preciso de um terra ao simular um circuito? Eu pensei que a tensão era relativa entre dois nós!

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A eletrônica é muito nova para mim.

Peguei o circuito mais básico que consegui pensar: Uma fonte de tensão de 1V e resistor de 1 Ohm

Pelo que entendi, eu deveria obter uma corrente de (I = V / R) 1 Ampère. Mas a simulação não dá uma solução e disse que eu deveria ter terreno.

Por que devo aterrar se tenho uma fonte de tensão que fornece diferenças de potencial em seus dois lados?

Anexo o circuito:

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

circuit-analysis circuit-design

— user135172
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GND é o ponto ao qual você atribui 0V arbitrariamente. Se você não o tiver, não poderá medir nenhum potencial contra esse ponto.

— PlasmaHH

A tensão é, por definição, uma medida física envolvendo dois pontos no espaço. Portanto, sua medição precisa identificar os dois pontos no circuito (diferencial) ou assumir um dos locais como referência (terra).

— vicatcu

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Para adicionar aos outros. a fonte de tensão pode ter um ponto de referência de tensão interno, mas isso não é feito para permitir mais flexibilidade no projeto.

— R.Joshi

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Os simuladores geralmente requerem gráficos de circuitos conectados (não uma necessidade, mas uma enorme comodidade). O simulador quase sempre tem um nó de terra. O circuito acima terá um componente flutuante e um componente que consiste apenas no nó terra.

— copper.hat

A tensão é relativa, mas o simulador precisa saber para onde fazê-lo.

— user253751

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Você está absolutamente correto: a tensão é definida apenas entre dois nós.

Em muitos circuitos eletrônicos, há uma fonte de alimentação de tensão constante * que se conecta a muitas partes do circuito. Por convenção , o terminal mais positivo da fonte de alimentação é rotulado como "V +" ou "Vcc" ou ...

Por convenção , o terminal mais negativo da fonte de alimentação é chamado de "terra".

Por convenção , geralmente não desenhamos a rede V + ou a rede terrestre nos diagramas de circuitos. Em vez disso, conectamos as coisas a um símbolo V + ou a um símbolo de terra.

E, finalmente, por convenção , sempre que falamos sobre a tensão em qualquer ponto do circuito, estamos implicitamente falando sobre a tensão entre esse ponto e a rede de aterramento.

Sua ferramenta de simulação está simplesmente honrando a última convenção. Portanto, requer uma rede de referência chamada terra.

* ou alguma aproximação dos mesmos

— Salomão Lento
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Essa resposta realmente ignora os mecanismos matemáticos internos dos simuladores.

— Massimo Ortolano

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@MassimoOrtolano O que seriam esses?

— Pedro A

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@ Hamsterrific Resumidamente, como as correntes em um circuito dependem apenas de diferenças de potencial e não apenas dos potenciais, se você não fixa o potencial de um nó, a partir de um circuito você obtém um sistema de equações que não é exclusivamente solucionável, ou seja, , sempre há uma infinidade de soluções, para as quais as tensões são diferentes por uma constante. A maioria dos métodos para as soluções numéricas do sistema de equações funciona apenas se os sistemas de equações tiverem uma solução única, caso contrário, eles falham. Ao fixar o terra, você garante que a solução seja única (se o circuito estiver bem definido).

— Massimo Ortolano

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Além disso, mesmo que o sistema escolha o ponto de operação, a representação do número de ponto flutuante tem uma precisão variável com base no deslocamento absoluto de 0.

— Connor Wolf

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@Massimo Ortolano: meu argumento é que não apenas seria possível, mas seria ainda mais fácil configurar o sistema de equações sem usar potenciais em relação a um nó de referência GND. A razão pela qual isso não é feito é por causa da convenção humana, não por causa da matemática.

— Coalhada

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os detalhes da pergunta são:

Tanto quanto eu entendo, eu deveria ter uma corrente de (I = V / R) 1 Amper. Mas o estímulo não dá uma solução e diz que eu deveria ter terreno.

Por que devo aterrar se tenho uma fonte de tensão que fornece diferenças de potencial em seus dois lados?

Tudo se resume a como os simuladores funcionam. Os simuladores requerem um ponto de referência e esse ponto de referência é designado pelo símbolo GND. internamente, o mecanismo determinará a equação e as respostas do sistema em relação a essa referência.

Essa limitação não existe no mundo real por causa da física.

— JonRB
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Exatamente. Não há nada de errado com o circuito. O problema é o resultado de uma limitação no simulador.

— Pete Becker

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@PeteBecker Eu discordo. Uma ferramenta complexa como um simulador poderia escolher um nó arbitrário para ser uma referência e, em seguida, executar todos os cálculos com base nessa referência, mas ocultá-lo ao usuário e mostrar apenas diferenças de tensão para o usuário. Isso seria ruim para a experiência do usuário, mas é tudo. Portanto, por design , para ajudar o usuário, os simuladores exigem que o usuário escolha o terreno. É apenas uma convenção.

— Pedro A

Mas ainda estaria escolhendo um nó .... O ponto é que ele precisa de algo para se referir. Se ele escolhesse arbitrariamente um nó, como, onde e entre as simulações você colocaria "sondas". Cada sonda viagem teria de ser diferencial (que não é um problema que é como MATLAB funciona)

— JonRB

@ Hamsterrific - talvez você tenha visto meu uso de "limitação" como severo. O motivo pelo qual esse circuito não funciona no simulador é que ele adiciona requisitos que não estão presentes nos circuitos do mundo real. O circuito desenhado funciona muito bem, apesar do simulador não gostar.

— Pete Becker

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Pessoalmente, eu odeio ferramentas de simulação ... muitas vezes você tem que "adicionar coisas" para manter os simuladores felizes e, para uma ferramenta complexa, eles não são tão inteligentes ... Então você tem engenheiros ruins que não têm idéia do que é o cct significava fazer tudo em primeiro lugar, confiando cegamente nos resultados

— JonRB 6/17/17

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Normalmente, é assumido que o lado negativo (-) do fornecedor de energia é 0V; portanto, se você conectar o terra ao lado negativo, será 0 V. O lado positivo (+) será 1V (GND +). diferença = 0 + 1 = 1) V.

Se você colocar o terreno no lado positivo, o lado negativo será -1V.

— Michel Keijzers
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De fato. Existem dois nós neste circuito. Anexe GND a cada um deles e veja o que a simulação faz; não vai demorar muito.

— Brian Drummond

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Você está certo. O nó "saída" não pode medir uma tensão, a menos que seja dito ao outro ponto para compará-la. Esse é o único objetivo do ponto "fundamental".

Se você não pedir que uma tensão seja medida, você pode pensar que ela poderia pelo menos medir uma corrente em um nó. Mas o SW precisa calcular tensões para calcular correntes, portanto, precisa de um ponto de referência de terra para seus próprios cálculos.

— Merlin3189
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Por que devo aterrar se tenho uma fonte de tensão que fornece diferenças de potencial em seus dois lados?

O motivo é como você descreve o circuito. Você está certo. toda a tensão é de 2 pontos. Não existe "qual é a voltagem no ponto IN", você só pode dizer "qual é a voltagem entre IN e OUT".

Portanto, para simplificar a fala (e o pensamento) sobre um circuito, é prática comum declarar algo no circuito como "isso é zero" e chamá-lo de "terra". Então você pode dizer "A tensão na entrada é 1V", mas o que você realmente quer dizer é "A tensão entre a terra e a entrada é 1V".

Espera-se que um simulador não funcione sem terra apenas olhando para ele. Mostra tensões "nos pontos", não "entre os pontos". Sem definir o ponto de referência, não é possível apresentar os resultados dessa maneira; portanto, é inútil executar a simulação.

Eu suspeito que existem alguns simuladores que funcionariam. Não é um problema técnico, é o problema de como os resultados são apresentados .

— Agent_L
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Na verdade, você não precisa de um "terreno". O que você precisa é de uma conexão entre a parte inferior do resistor e o terminal inferior (negativo) da fonte de tensão. Em um simulador, isso é feito por uma lista de conexões. Se esses dois estiverem conectados a um cano de água, a parte superior de uma bobina de Tesla, a energia de 220 volts CA, a parte superior de um gerador Van De Graf ou a pipa de Ben Franklin, a corrente no resistor calculada pelo simulador será a mesma .

Então volte ao seu simulador e verifique se há conexões com DOIS DIFERENTES pontos na fonte de tensão e com dois pontos diferentes no resistor.

Lembre-se: a resistência é inútil!

— richard1941
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Tentarei responder sua pergunta estritamente em matemática. Você entenderá por que o pobre sujeito chamado simulador não consegue encontrar uma solução aqui.

Seu circuito é o seguinte

Vamos chamar o terminal superior A e o inferior B, como mostrado na figura.

$V_A - V_B = 1V$

Também sabemos do lado do resistor que

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

$V_A$ $V_B$ $V_A - V_B = 1$

$V_A=5$ $V_B=4$ $V_A-V_B=1$

$V_A$ $V_B$

Todas as diferenças de tensão e correntes ainda estão definidas .. Mas as tensões absolutas não são ..

Para que a tensão absoluta seja definida (e para que o simulador jogue uma solução). Você precisa de uma referência. Essa referência é geralmente escolhida como base.

$V_A$ $V_B$

$V_B=0$

$V_A=1$ $V_B$

Pense em uma situação ainda mais simples:

Digamos que haja 20 andares (digamos que cada andar tenha 10 pés de altura). e digamos que você esteja no 12º andar do prédio.

Se alguém lhe perguntar em que altura você está de pé ..

Qual seria sua resposta ?

120ft? Você tem certeza ?

E se o edifício estiver no Monte Everest (que fica a cerca de 29000 pés do nível do mar)?

Embora você possa dizer que do 0º andar para você ... a diferença é 120 pés. Embora você possa dizer que do 1º andar para você ... a diferença é de 110 pés.
Você não pode definir sua altura absoluta, a menos que saiba de onde está medindo.

Se você está construindo, está no Monte Everest e sua referência é o nível do mar. então a altura em que você está é de 29000 pés + 120 pés.

Se, no entanto, sua referência for o 0º andar, a altura será 120 pés.

Espero que você entenda a dificuldade que o simulador está enfrentando.

Simule os dois circuitos abaixo e você entenderá do que estou falando.

Zeroth sendo a referência:
O nível do mar é a referência:

Muito bem sucedida !!

— Sharanaprasad Melkundi
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— Transistor

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Na verdade, existem duas razões.

Primeiro é uma simulação. No mundo real, se você conectar uma fonte de energia de 1 V (com uma alta capacidade de corrente (o que significa uma fonte de tensão poderosa e não uma bateria comum do tipo AA)) a um resistor de 1 Ohm, você definitivamente obterá 1 A sem aterramento.

Mas..

Em segundo lugar, também é usado no mundo real para criar tensões negativas. E o simulador quer saber qual você está tentando fazer. Se você aterrar o lado negativo da fonte de energia, o circuito será igual, pois você não o aterrou (quase igual). Mas se você aterrar o lado positivo da fonte de energia, embora a função do circuito não altere as medidas no circuito vontade e isso faria a diferença.

No primeiro exemplo, quando você aterra a parte inferior (- extremidade), você tem 1 V e 0 volt (terra), a diferença é 1 V e a corrente é 1 A. Mas, no segundo exemplo, quando você aterra a parte superior (+ extremidade), tem -1 V na parte inferior e 0 volt na parte superior, a diferença é de 1 V e a corrente é de 1 Amper. Os dois circuitos funcionam exatamente da mesma maneira, mas as medidas são +1 a 0 versus 0 a -1. E eles são diferentes dessa maneira. ASSIM, o simulador pede uma decisão sobre qual você deseja bulid.

— mnu
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Conectei o lado positivo de uma poderosa fonte de 1 volt a um lado de um resistor de 1 ohm, mas a corrente era zero. Preciso de uma fonte de tensão mais poderosa?

— richard1941