Warum brauche ich beim Simulieren eines Stromkreises eine Erdung? Ich dachte, die Spannung sei relativ zwischen zwei Knoten!

18

Elektronik ist für mich sehr neu.

Ich nahm die grundlegendste Schaltung, an die ich denken konnte: Eine Spannungsquelle von 1 V und einen Widerstand von 1 Ohm

Soweit ich weiß, sollte ich einen Strom von (I = V / R) 1 Ampere erhalten. Aber die Simulation gibt keine Lösung und sagte, ich hätte Boden haben sollen.

Warum sollte ich Masse haben, wenn ich eine Spannungsquelle habe, die Potentialunterschiede von beiden Seiten aufweist?

Ich schließe die Schaltung an:

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

circuit-analysis circuit-design

— user135172
quelle

6

GND ist der Punkt, dem Sie willkürlich 0 V zuweisen. Wenn Sie es nicht haben, kann es kein Potenzial an diesem Punkt messen.

— PlasmaHH

Die Spannung ist definitionsgemäß eine physikalische Messung an zwei Punkten im Raum. Daher muss Ihre Messung entweder die beiden Punkte im Stromkreis identifizieren (Differenz) oder einen der Orte als Referenz (Masse) annehmen.

— Vicatcu

2

Anderen hinzufügen. Die Spannungsversorgung könnte einen internen Spannungsreferenzpunkt haben, dies wird jedoch nicht durchgeführt, um mehr Flexibilität bei der Konstruktion zu ermöglichen.

— R.Joshi

1

Simulatoren erfordern normalerweise zusammenhängende Schaltpläne (keine Notwendigkeit, aber eine enorme Bequemlichkeit). Der Simulator hat fast immer einen Masseknoten. Die obige Schaltung hat eine schwebende Komponente und eine Komponente, die nur aus dem Masseknoten besteht.

— copper.hat

Die Spannung ist relativ, aber der Simulator muss wissen, wo er sie relativ machen soll.

— user253751

26

Sie haben absolut Recht: Die Spannung wird nur zwischen zwei Knoten definiert.

In vielen elektronischen Schaltkreisen gibt es ein Konstantspannungsnetzteil, das mit vielen Teilen des Schaltkreises verbunden ist. Konventionell ist der positivere Anschluss des Netzteils mit "V +" oder "Vcc" oder ...

Üblicherweise wird der negativere Anschluss der Stromversorgung als "Masse" bezeichnet.

Üblicherweise zeichnen wir in Schaltplänen oft weder das V + -Netz noch das Erdungsnetz. Stattdessen verbinden wir Dinge mit einem V + Symbol oder einem Erdungssymbol.

Und schließlich, durch Konvention , wenn wir über die Spannung sprechen an einem beliebigen Punkt in der Schaltung, sprechen wir implizit über die Spannung zwischen diesem Punkt und dem Boden Netz.

Ihr Simulationswerkzeug erkennt einfach diese letzte Konvention an. Daher ist ein Referenznetz erforderlich, das als Masse bezeichnet wird.

* oder eine Annäherung hieran

— Solomon Slow
quelle

3

Diese Antwort ignoriert wirklich die inneren mathematischen Mechanismen von Simulatoren.

— Massimo Ortolano

1

@ MassimoOrtolano Was wäre das?

— Pedro A

8

@Hamsterrific Kurz gesagt, da Ströme in einem Stromkreis nur von Potentialdifferenzen und nicht nur von den Potentialen abhängen, erhalten Sie aus einem Stromkreis ein Gleichungssystem, das nicht eindeutig lösbar ist , wenn Sie das Potential eines Knotens nicht festlegen Es gibt immer unendlich viele Lösungen, bei denen sich alle Spannungen durch eine Konstante unterscheiden. Die meisten Methoden für die numerischen Lösungen von Gleichungssystemen funktionieren nur, wenn Gleichungssysteme eine eindeutige Lösung haben, andernfalls schlagen sie fehl. Indem Sie den Boden reparieren, stellen Sie sicher, dass die Lösung eindeutig ist (wenn der Stromkreis genau definiert ist).

— Massimo Ortolano

1

Auch wenn das System den Arbeitspunkt wählt, hat die Darstellung der Gleitkommazahlen eine variable Genauigkeit, die auf dem absoluten Versatz von 0 basiert.

— Connor Wolf

2

@Massimo Ortolano: Mein Punkt ist, dass es nicht nur möglich wäre, sondern es sogar noch einfacher wäre, das Gleichungssystem aufzubauen, ohne Potentiale in Bezug auf einen GND-Referenzknoten zu verwenden. Der Grund, warum dies nicht getan wird, liegt an der menschlichen Konvention, nicht an der Mathematik.

— Curd

22

Die Besonderheiten der Frage sind:

Soweit ich weiß, sollte ich einen Strom von (I = V / R) 1 Ampere erhalten. Aber die Stimulation gibt keine Lösung und sagt, ich hätte Grund haben sollen.

Warum sollte ich Masse haben, wenn ich eine Spannungsquelle habe, die Potentialunterschiede von beiden Seiten aufweist?

Es kommt darauf an, wie Simulatoren funktionieren. Simulatoren benötigen einen Referenzpunkt und dieser Referenzpunkt ist mit dem GND-Symbol gekennzeichnet. Intern bestimmt die Engine die Systemgleichung und die Reaktionen anhand dieser Referenz.

Diese Einschränkung existiert in der realen Welt aufgrund der Physik nicht.

— JonRB
quelle

1

Genau. Es ist nichts falsch mit der Schaltung. Das Problem ist das Ergebnis einer Einschränkung im Simulator.

— Pete Becker

6

@PeteBecker Ich bin anderer Meinung. Ein komplexes Tool wie ein Simulator könnte sehr wahrscheinlich einen beliebigen Knoten als Referenz auswählen und dann alle Berechnungen für diese Referenz durchführen, diese jedoch für den Benutzer ausblenden und nur Spannungsunterschiede für den Benutzer anzeigen. Dies wäre schlecht für die Benutzererfahrung, aber das ist alles. Daher durch Design , um den Benutzer zu unterstützen, erfordert Simulatoren den Benutzer , den Boden zu wählen. Es ist nur eine Konvention.

— Pedro A

Aber es würde immer noch einen Knoten auswählen ... Der Punkt ist, dass es etwas braucht, worauf man sich beziehen kann. Wenn er willkürlich einen Knoten auswählen würde, wie und wo und zwischen den Simulationen würden Sie "Sonden" platzieren. Jede Reise-Sonde müsste differenziell sein (was kein Problem ist, wie MATLAB funktioniert)

— JonRB

@ Hamsterrific - vielleicht hast du meine Verwendung von "Beschränkung" als hart angesehen. Der Grund, warum diese Schaltung im Simulator nicht funktioniert, ist, dass der Simulator Anforderungen hinzufügt, die in realen Schaltungen nicht vorhanden sind. Die gezeichnete Schaltung funktioniert einwandfrei, obwohl sie dem Simulator nicht gefällt.

— Pete Becker

1

Persönlich hasse ich Simulationstools ... zu oft muss man "Sachen hinzufügen", um die Simulatoren glücklich zu machen und für ein so komplexes Tool sind sie nicht so schlau ... Dann haben Sie schlechte Ingenieure, die keine Ahnung haben, was der CCT ist bedeutete,

— JonRB

5

Normalerweise wird davon ausgegangen, dass die Minus-Seite (-) des Stromversorgers 0 V beträgt. Wenn Sie also die Masse mit der Minus-Seite verbinden, beträgt diese 0 V und die Plus-Seite (+) 1 V (GND +) Differenz = 0 + 1 = 1) V.

Wenn Sie den Boden auf die Plus-Seite legen würden, wäre die Minus-Seite -1V.

— Michel Keijzers
quelle

2

Tatsächlich. Es gibt zwei Knoten in dieser Schaltung. Bringen Sie nacheinander GND an und sehen Sie, was die Simulation bewirkt. wird nicht sehr lange dauern.

— Brian Drummond

4

Du liegst ziemlich richtig. Der "Ausgangs" -Knoten kann keine Spannung messen, es sei denn, er teilt dem anderen Punkt mit, mit dem er verglichen werden soll. Das ist der einzige Zweck des "Grundpunktes".

Wenn Sie nicht nach einer zu messenden Spannung fragen, könnten Sie denken, dass sie zumindest einen Strom an einem Knoten messen könnte. Die SW muss jedoch die Spannungen berechnen, um die Ströme zu berechnen, und benötigt daher einen Erdungsbezugspunkt für ihre eigenen Berechnungen.

— Merlin3189
quelle

2

Warum sollte ich Masse haben, wenn ich eine Spannungsquelle habe, die Potentialunterschiede von beiden Seiten aufweist?

Der Grund ist, wie Sie die Schaltung beschreiben. Du hast recht. Die gesamte Spannung liegt über 2 Punkten. Es gibt kein "Was ist die Spannung am Punkt IN", Sie können nur sagen, "Was ist die Spannung zwischen IN und OUT".

Um das Sprechen (und Nachdenken) über eine Schaltung zu vereinfachen, ist es daher üblich, etwas in der Schaltung als "dies ist Null" zu deklarieren und es "Masse" zu nennen. Sie können also "Spannung an IN ist 1 V" sagen, aber Sie meinen tatsächlich "Spannung zwischen Masse und IN ist 1 V".

Es wird erwartet, dass ein Simulator ohne Boden nicht funktioniert, wenn man ihn nur ansieht. Es zeigt Spannungen "an Punkten", nicht "zwischen Punkten". Ohne Festlegen des Bodenpunkts ist es nicht möglich, die Ergebnisse auf diese Weise darzustellen. Daher ist es sinnlos, die Simulation überhaupt auszuführen.

Ich vermute, dass es einige Simulatoren gibt, die funktionieren würden. Es ist kein technisches Problem, es ist das Problem, wie die Ergebnisse präsentiert werden .

— Agent_L
quelle

1

Eigentlich braucht man keinen "Boden". Was Sie brauchen, ist eine Verbindung zwischen der Unterseite des Widerstands und dem unteren (negativen) Anschluss der Spannungsquelle. In einem Simulator erfolgt dies über eine Verbindungsliste. Wenn diese beiden an eine Wasserleitung, die Oberseite einer Tesla-Spule, die 220-Volt-Wechselspannung, die Oberseite eines Van-De-Graf-Generators oder Ben Franklins Drachen angeschlossen sind, ist der Strom im Widerstand, der vom Simulator berechnet wird, derselbe .

Gehen Sie zurück zu Ihrem Simulator und stellen Sie sicher, dass es Verbindungen zu ZWEI VERSCHIEDENEN Punkten an der Spannungsquelle und zu zwei verschiedenen Punkten am Widerstand gibt.

Denken Sie daran: Widerstand ist zwecklos!

— richard1941
quelle

0

Ich werde versuchen, Ihre Frage streng mathematisch zu beantworten. Sie werden verstehen, warum der arme Kerl namens Simulator hier keine Lösung finden kann.

Ihre Schaltung ist wie folgt

Rufen wir das obere Terminal A und das untere Terminal B an, wie in der Abbildung gezeigt.

$V_A - V_B = 1V$

Das wissen wir auch vom Widerstand her

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

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

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

$V_A$ $V_B$

Alle Spannungsunterschiede und Ströme sind noch definiert. Absolute Spannungen sind es jedoch nicht.

Zur Festlegung der absoluten Spannung (und zum Auswerfen einer Lösung durch den Simulator). Sie benötigen eine Referenz. Diese Referenz wird normalerweise als Grund gewählt.

$V_A$ $V_B$

$V_B=0$

$V_A=1$ $V_B$

Denken Sie an eine noch einfachere Situation:

Nehmen wir an, dass es ein 20-stöckiges Gebäude gibt (sagen wir, dass jede Etage 10 Fuß hoch ist). Nehmen wir an, Sie stehen im 12. Stock des Gebäudes.

Wenn dich jemand fragt, auf welcher Höhe du stehst ..

Was wäre deine Antwort?

120ft? Bist du sicher ?

Was ist, wenn sich das Gebäude auf dem Mount Everest befindet (der sich etwa 30000 m über dem Meeresspiegel befindet)?

Obwohl Sie sagen können, dass von der 0. Etage bis zu Ihnen .. der Unterschied beträgt 120ft. Obwohl Sie sagen können, dass von der 1. Etage bis zu Ihnen .. der Unterschied beträgt 110ft.
Sie können Ihre absolute Höhe nur definieren, wenn Sie wissen, von wo aus Sie messen.

Wenn Sie am Mt. Everest bauen und Ihre Referenz ist der Meeresspiegel. Dann beträgt die Höhe, in der Sie stehen, 29000 Fuß + 120 Fuß.

Wenn Ihre Referenz jedoch die 0. Etage ist, beträgt die Höhe 120 Fuß.

Ich hoffe, Sie verstehen die Schwierigkeit, mit der der Simulator konfrontiert ist.

Simulieren Sie die folgenden zwei Schaltkreise und Sie werden verstehen, wovon ich spreche.

Der Zeroth-Boden ist die Referenz:
Meeresspiegel als Referenz:

Alles Gute !!

— Sharanaprasad Melkundi
quelle

1

Wenn Sie die CircuitLab-Schaltfläche in der Editor-Symbolleiste verwenden, werden Ihre bearbeitbaren Schaltpläne in Ihren Beitrag eingebettet. Kein CircuitLab-Account erforderlich. Keine Screenshots. Keine Uploads. Kein Hintergrundraster.

— Transistor

-4

Eigentlich gibt es zwei Gründe.

Erstens ist es eine Simulation. In der realen Welt erhalten Sie 1 A ohne Erdung, wenn Sie eine 1-V-Stromquelle (mit einer hohen Stromkapazität (was bedeutet, dass eine leistungsstarke Spannungsquelle keine normale AA-Batterie ist)) an einen 1-Ohm-Widerstand anschließen.

Aber..

Zweitens wird es auch in der realen Welt verwendet, um negative Spannungen zu erzeugen. Und der Simulator möchte wissen, welchen Sie versuchen. Wenn Sie die negative Seite der Stromquelle erden, ist der Stromkreis der Equalient, da Sie ihn nicht geerdet haben (fast der Equalient). Wenn Sie jedoch die positive Seite der Stromquelle erden, ändert die Funktion des Stromkreises nichts an den Messwerten des Stromkreises Wille und das würde einen Unterschied machen.

Wenn Sie im ersten Beispiel den unteren Teil (- Ende) mit 1 V und 0 Volt (Masse) erden, beträgt die Differenz 1 V und der Strom 1 A. Beim zweiten Beispiel werden Sie jedoch den oberen Teil (+ Ende) erden haben -1 V unten und 0 Volt oben, die Differenz beträgt 1 V und der Strom beträgt 1 Ampere. Die beiden Schaltkreise funktionieren genau gleich, aber die Messwerte sind +1 bis 0 gegenüber 0 bis -1. Und sie unterscheiden sich in dieser Hinsicht. SO fragt der Simulator Sie nach einer Entscheidung, welche Sie erweitern möchten.

— mnu
quelle

Ich habe die positive Seite einer leistungsstarken 1-Volt-Quelle mit einer Seite eines 1-Ohm-Widerstands verbunden, aber der Strom war Null. Benötige ich eine stärkere Spannungsquelle?

— Richard1941