"Tierra" vs. "Tierra" vs. terminal común vs. terminal negativo

Esto puede ser simplemente que no tengo un título en ingeniería eléctrica o electrónica, pero la noción completa de "tierra" y "tierra", cuando se usa en diagramas de circuitos eléctricos (especialmente circuitos integrados), es extremadamente confusa. Supongo que toda la noción de current"provenir" del terminal positivo (que a menudo es como se describe la corriente) me parece al revés y engañosa, dada la descripción mecánica cuántica de la corriente eléctrica como el flujo de electrones. Entonces, me gustaría aclarar mi comprensión de las cosas.

Primero lo primero ... para asegurarme de que mi comprensión del voltaje y la corriente es correcta. Asumiendo un contexto de corriente continua (entiendo que las cosas son más complejas cuando se usa corriente alterna, y entiendo que es posible tener conexión a tierra en un terminal positivo en algunos sistemas y cosas así).

A. La terminal positiva en un circuito es lo que crea voltaje. El voltaje es un potencial , por lo que dado que son los iones positivos en, por ejemplo, una batería, que generalmente están fijos en su lugar, tiene sentido que el terminal + en un circuito cree voltaje.

B. La terminal negativa en un circuito es la que proporciona corriente. La corriente es el flujo de electrones, y ese flujo es hacia el terminal que está creando el potencial para la corriente.

Suponiendo que estas afirmaciones sean ciertas ... entonces, ¿por qué el término "tierra" (principalmente) o, a veces, el símbolo de "tierra" se usa tan ampliamente en los diagramas de circuitos eléctricos? ¿Por qué es tierra o tierra, en lugar de solo un terminal negativo, o un terminal de 0 V, o tal vez solo un terminal "común"? El uso de tierra o el símbolo de tierra, particularmente en los diagramas de circuitos de circuitos integrados (que no se usan necesariamente en circuitos que son remotamente capaces de estar "conectados a tierra" en la tierra ... como en un avión o una nave espacial, o incluso cualquier El número de sistemas aislados y aislados que no se pueden conectar directamente a la tierra) es extremadamente confuso para mí.

¿Es solo una vieja convención que nunca se ha roto? ¿Es tierra (el terminal GND) o el símbolo de tierra en un diagrama de circuito solo una cosa que se hace, porque siempre es así? ¿Porque así es como siempre se ha enseñado? ¿Realmente solo significa un terminal negativo, o un terminal desde el cual fluyen los electrones? ¿Cuándo se requiere el uso de una tierra literal, un punto donde un circuito realmente se conecta a la tierra literal? Parece claro que no todos los circuitos, como un CI, en realidad no necesitan una conexión literal a la tierra para funcionar.

Bueno, lo siento si esta es una pregunta extraña, sin embargo, a medida que juego más y más con la electrónica, y dado que estoy alimentando la mayoría de mis pequeños proyectos con baterías, todo este concepto me parece extraño y confuso ... no hay literal "tierra" o "tierra" involucrada en el circuito. Solo los terminales de la batería y las partes electrónicas.

Problemas:

Primero , las corrientes no "provienen" del terminal positivo. Esa es una idea errónea muy común, llamada "falacia secuencial" en los libros de texto de electricidad de la escuela primaria. El problema básico es que los cables no son como tuberías vacías. Y, la fuente de alimentación no los llena. En cambio, los cables ya están precargados con carga, de modo que las corrientes siempre aparecen en todas partes en un circuito, todo al mismo tiempo. ("Corriente" significa flujo de carga. Cuando comienza a fluir un círculo de cargas móviles, aparece "corriente" en todo el anillo. Esa es la regla básica del circuito).

En otras palabras, los circuitos eléctricos se comportan como ruedas y correas. Del mismo modo, el metal de una cadena de bicicleta no "proviene" de una ubicación particular en la rueda dentada. No "comienza" en un punto. En cambio, todo el círculo está hecho de cadena. Además, toda la cadena estaba allí antes de que existiera cualquier fuente de alimentación. Con las cadenas de bicicleta, cuando se aplica una fuerza, todo gira. Con los circuitos, cuando se aplica una diferencia de potencial , todas las cargas móviles dentro del anillo (dentro del circuito) comienzan a moverse como una unidad, como una cadena sólida en un círculo completo. Pero esas cargas ya estaban dentro de los cables antes de conectar cualquier batería. Los cables son como mangueras llenas de agua.

En segundo lugar, el potencial eléctrico solo puede existir entre dos puntos, y un solo punto en un circuito nunca "tiene voltaje". Esto es cierto porque el voltaje es un poco como la altitud: un objeto no puede "tener una altitud", ya que la altura solo se puede medir entre dos puntos. No tiene sentido discutir la altura, la longitud o la altitud de un objeto. Altitud por encima de qué? ¿Encima del piso? ¿Sobre el suelo fuera del edificio? ¿Altitud sobre el centro de la Tierra? ¡Cualquier objeto tendrá infinitamente muchas altitudes al mismo tiempo!

El voltaje tiene exactamente el mismo problema: un terminal solo puede "tener un voltaje" en comparación con otro terminal. El voltaje actúa como la longitud: el voltaje y la longitud son medidas de doble extremo. O, en otras palabras, un terminal en un circuito siempre tiene muchos voltajes diferentes al mismo tiempo, dependiendo de dónde coloquemos el otro cable del medidor.

En tercer lugar , en los circuitos, los terminales de suministro de energía positivo y negativo proporcionan la fuerza impulsora , ambos al mismo tiempo. Y, lo más importante: el camino para la corriente es a través de la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación son cortocircuitos. Una fuente de alimentación ideal actúa como una resistencia de cero ohmios. Piénselo: en una bobina de dinamo, las cargas pasan a través de la bobina y vuelven a salir. El cable tiene una resistencia muy baja. Lo mismo con las baterías: la ruta de la corriente es a través de la batería y vuelve a salir. Las placas de la batería están en cortocircuito por un electrolito muy conductor.

Ejemplo:
Aquí hay una descripción correcta de una linterna. Las cargas comienzan dentro del filamento de tungsteno. Cuando el interruptor está cerrado y el circuito está completo, un extremo del filamento se carga positivo y el otro negativo. Esto obliga a que las propias cargas del filamento comiencen a fluir. Las cargas salen del filamento y entran en un cable, mientras que al mismo tiempo, entran más cargas en el otro extremo del filamento. Estas cargas son suministradas por los cables de metal (y, antes de que se encendiera el interruptor, todos los conductores ya estaban llenos de cargas móviles). Continuando, las cargas que estaban en el filamento fluirán hacia un cable, se moverán lentamente hacia la batería (tarda minutos u horas en llegar allí), luego fluya a través de la batería y vuelva a salir. Salen del otro terminal de la batería, fluyen de regreso al otro extremo del filamento, luego terminan donde comenzaron. Un "circuito completo". Los cargos son como una correa de transmisión, o como una rueda giratoria o una cadena de bicicleta. La batería empuja las cargas, pero no suministra las cargas. El cobre y el tungsteno suministran las cargas que fluyen en el circuito de la linterna. Las cargas se mueven bastante lentamente, pero dado que todas comienzan a moverse al mismo tiempo, la bombilla se enciende instantáneamente, incluso si los cables son bastante largos.

Cuarto: cualquier ión positivo dentro de una batería es extremadamente móvil . Ciertamente no están encerrados en su lugar. Si lo fueran, las baterías serían aislantes y no funcionarían. Algunas baterías se basan en el flujo de iones positivos en una dirección e iones negativos en la otra. Las baterías de plomo-ácido son diferentes. En el ácido solo fluyen los protones. Los ácidos son conductores de protones.

Pero cuidado: las baterías dan una complejidad adicional que puede descarrilar una explicación.

En cambio, reemplace la batería de su linterna con una bobina grande y un superimán. Conéctelo a la bombilla. Empuje el superimán en la bobina, y la bombilla parpadeará brevemente. ¿De dónde vinieron los cargos? ¿Cómo puede un imán en movimiento crear cargas? NO lo hace. Los dinamos y las baterías son bombas de carga. El imán en movimiento obliga a las propias cargas del cable a comenzar a moverse. (¡Una bomba no suministra las cosas que se bombean!) El imán en movimiento provoca una corriente, porque aplica una fuerza de bombeo EM a las cargas móviles que ya están dentro del metal.

Mal conductor. ¡Malo!
Aquí hay una aclaración. Muchos libros de texto de introducción proporcionan una definición incorrecta de "conductor". Totalmente equivocado y extremadamente engañoso. Le enseñarán que los conductores "dejan pasar las cargas" (o, pasan la electricidad o la corriente). Los conductores no son como tubos huecos. Los conductores no son transparentes a la electricidad. En cambio, "conductor" significa "un material que está lleno de cargos móviles". Los conductores son como tanques llenos de agua. Son como acuarios, o como tuberías precargadas. Los conductores obedecen la ley de ohm: cuando aplicamos una diferencia de voltaje a los extremos de un cable, el flujo de cargas depende de la resistencia del cable, I = V * R. Son las propias cargas del cable las que fluyen. Piénselo: el aire es un aislante, incluso el vacío es un aislante, pero ¿cómo puede el vacío bloquear el flujo de cargas? El vacío no necesita hacerlo. No hay cargas móviles presentes en el vacío, eso es lo que lo hace aislante).

Todo esto lleva a un concepto importante. Cada vez que tomamos un trozo de cable y enganchamos los extremos para formar un bucle cerrado, hemos creado una "correa de transmisión invisible", un bucle de carga móvil dentro del cable que no se mueve. Empuje un poste de imán en el bucle de metal, y todas las cargas del cable se moverán como una rueda. Es una piscina en forma de anillo, y si empujamos el agua, podemos hacer que toda el agua gire como un volante, mientras que la piscina en sí permanece quieta.

QUINTO , las corrientes no son hacia atrás, porque las corrientes eléctricas no son flujos de electrones.

Específicamente, la polaridad de las cargas que fluyen depende del tipo de conductor. Sí, en metales sólidos, las cargas móviles son electrones. Pero hay una gran cantidad de conductores donde no se pueden mover electrones. Los más cercanos son su cerebro y sistema nervioso: flujos simultáneos de iones positivos y negativos en direcciones opuestas, sin ningún flujo de electrones. El agua salada, los "electrolitos", incluida la tierra y los océanos, no son conductores de electrones.

Ejemplo más extraño: los ácidos son conductores porque están llenos de iones de hidrógeno + H positivos. Otro nombre para un ion + H es ... "el protón". Cuando pones algunos amperios a través del ácido, la corriente es un flujo de protones. (Je, si hay algunas corrientes de tierra en la tierra, y la tierra es ácida en lugar de salada, ¡entonces esas corrientes son flujos de protones!)

En otras palabras, los "amperios" pueden ser electrones que fluyen, protones que fluyen o sodio positivo que pasa a través del cloruro negativo en sentido contrario. O bien, los electrones rápidos van en una dirección en una chispa, mientras que los iones de nitrógeno lentos avanzan o retroceden dependiendo de si están en posición o no. Y en los semiconductores de tipo p, ¡la corriente es un flujo de "vacantes de celosía" en el cristal! (Cada vacante expone un exceso de protón de silicio, por lo que las vacantes tienen una carga positiva genuina. Los "agujeros" se mueven por transferencia de electrones, pero cada agujero está realmente cargado positivamente).

Con toda la complejidad anterior, ¿cómo podemos describir lo que sucede dentro de los circuitos? Fácil: ya está hecho para nosotros. Cubrimos las cargas móviles y las ignoramos. Ignoramos su velocidad de flujo y su cantidad. Ignoramos su polaridad. En cambio, sumamos todas las diversas cargas que pueden estar dentro de cualquier conductor, calculamos el caudal total y llamamos a esto "amperios". ¿Es su conductor una manguera llena de agua salada? Coloque un amperímetro de sujeción alrededor y lea los amperios. La densidad de iones no importa. La velocidad de iones no importa, e incluso podría ser una manguera de ácido llena de protones, en lugar de una manguera de agua de mar. Los amperios son amperios.

Los amperios también se denominan "corriente convencional" o simplemente "corriente eléctrica".

Muy importante: los amperios no son flujo de carga. Un conductor puede tener un amplificador, pero esto no nos dice nada sobre los cargos en su interior. Podría haber algunas cargas que fluyen rápido o muchas cargas que fluyen lentamente. Podría haber cargas positivas hacia adelante, o hacia atrás, o ambas al mismo tiempo (como con los cuerpos humanos que reciben una descarga eléctrica de CC). Todo eso está cubierto, y todo lo que nos queda son los amperios ... amperios de tendencia convencional.

OK, volvamos a GND versus COM versus EARTH.

"Ground" es confuso porque la palabra casi siempre se usa mal.

En los circuitos, casi siempre elegimos un terminal de fuente de alimentación como "común", y conectamos un cable de voltímetro a él. No está conectado a tierra, por lo que realmente no deberíamos llamarlo "tierra" (¡no está conectado a una estaca de metal empujada a la suciedad!) En cambio, es solo el punto tradicional para hacer lecturas de voltaje. ¡Es un acuerdo silencioso! Dado que los voltajes son mediciones complicadas de doble extremo, las cosas se simplifican si pretendemos que son de un solo extremo. Por lo tanto, conecte el cable del voltímetro negro al "circuito común" y luego ignórelo.

Ahora imagine que la sonda de color rojo en su voltímetro puede medir el VOLTAJE DE UN TERMINAL. ¡Pero los terminales no pueden "tener voltaje!" Sí, claro. Pero silenciosamente pretendemos que lo hagan. Cualquier punto en el circuito puede tener un voltaje ... en relación con otro punto del circuito. Si estuviéramos hablando de altitudes, siempre podríamos hacer nuestras mediciones en relación con el nivel del mar, luego nunca mencionar el nivel del mar, y luego pretender que los objetos y ubicaciones pueden "tener una altitud", cuando en realidad eso es imposible.

Entonces, los nuevos estudiantes se confunden cuando hablamos del "voltaje de un terminal". En realidad queríamos decir "el voltaje que aparece entre un terminal y el Circuito Común". Pero eso es demasiado para repetir todo el tiempo. En silencio estamos diciendo "voltaje entre, voltaje entre", mientras que en realidad estamos diciendo "voltaje en este punto", o en ese otro punto. Sí, entonces todos los nuevos estudiantes comienzan a pensar que un solo terminal puede tener un voltaje.

¿El terminal de suministro negativo es el circuito común? Si, por lo general. He visto radios muy antiguas con transistores PNP y un voltaje de alimentación negativo con "tierra positiva". El terminal positivo de la batería es el circuito común. Todas las medidas en el esquema son voltajes negativos. Además de las radios de la década de 1950, lo mismo sucede en los antiguos VW Beetles y en algunas motocicletas. El terminal positivo de la batería está conectado al chasis, por lo que el "terminal de suministro" es el negativo. No instale una radio de automóvil normal en un VW viejo, ya que se cortocircuitará o se incendiará cuando encienda el encendido. La fuente de alimentación estaba al revés.

Todo lo que tenemos que hacer es deshacernos de todas las radios de transistores PNP japoneses de los años 50 coleccionables, escarabajos VW y motocicletas con conexión a tierra positiva, y luego Circuit Common será siempre y para siempre el terminal de suministro negativo. Bueno, a menos que sea un sistema de sensor industrial extraño, eléctricamente flotante, con una combinación de alimentación de CA y circuitos de amplificador operacional de tierra virtual.

Una fuente de voltaje tiene terminales negativos y positivos, y produce un voltaje (o diferencia de potencial) entre esos terminales.

En The Beginning, los primeros científicos que estudiaban la electricidad no tenían medios para determinar qué, en todo caso, constituía una corriente eléctrica, por lo que declararon arbitrariamente que la corriente era un flujo de carga positiva, que fluía desde el terminal positivo de la fuente de voltaje, a través del circuito externo, y volviendo al terminal negativo. Ahora llamamos a este concepto "Corriente convencional", y los científicos e ingenieros generalmente usan este concepto cuando discuten el flujo de corriente.

Ahora sabemos que, en la mayoría de los materiales, la corriente es transportada por electrones cargados negativamente. Cuando se desarrollaron los tubos de vacío, a muchos técnicos se les enseñó el uso de la corriente de electrones, ya que la operación interna de un tubo de vacío no se puede describir fácilmente con la corriente convencional. Desafortunadamente, la corriente de electrones vive en muchos lugares, lo que hace que los estudiantes se confundan entre la corriente convencional y la corriente de electrones. Creo que es mejor seguir con la corriente convencional, ya que eso es lo que usa la mayoría de la comunidad técnica y científica.

"Tierra" es un término muy mal utilizado en electrónica.

En la distribución de energía de CA y en algunos sistemas de antena de radio, "Tierra" realmente significa "una conexión a la Tierra".

Sin embargo, en la mayoría de los dispositivos electrónicos, "Tierra" es simplemente una etiqueta que pegamos en un punto del circuito que deseamos considerar "Voltios cero" (donde colocamos el cable negro del medidor al medir voltajes en otros lugares). Sería mejor llamar a este punto "referencia" o "común", pero el uso de "terreno" está tan bien establecido que estamos atrapados en él. Esta "tierra / común" no tiene poderes mágicos, no es un sumidero infinito de electrones, es solo otro punto en el circuito.

En estos días, "tierra / común" suele ser el punto más negativo del circuito, pero a veces puede ser el punto más positivo (una familia lógica está diseñada para operar desde -5 voltios; allí la tierra es positiva). En muchos circuitos de audio, "tierra / común" es el punto medio de la fuente de alimentación, y encontramos voltajes positivos y negativos en el circuito.

Primero, tu A y B simplemente están equivocados. Dado un voltaje entre los puntos A y B, ninguno tiene el privilegio de ser una "fuente" de corriente o una "fuente" de voltaje. Todo lo que puede decir es que si se usa un conductor para conectar A y B, la corriente fluirá entre A y B. Si el voltaje entre A y B es positivo, en un metal esto tomará la forma de electrones que fluyen de B a A En semiconductores como los transistores, la segunda parte no es (necesariamente) verdadera, ya que la corriente puede ser causada por electrones o por ausencia de electrones (agujeros, que fluyen en la otra dirección).

En gran parte, la identificación de "tierra" con "tierra" es de hecho un accidente histórico, y surge de las prácticas utilizadas por las primeras compañías de distribución de energía. En la terminología estadounidense actual, la tierra es un punto de referencia para medir el voltaje y la corriente en un circuito, mientras que la tierra es una conexión real a una varilla golpeada en la tierra.

El uso más general de la tierra se deriva de esta práctica, y en realidad sigue siendo importante en los sistemas que utilizan una gran cantidad de energía. Para los sistemas de baja potencia, especialmente los sistemas alimentados por batería, la conexión a tierra puede desconectarse por completo de cualquier conexión (física o de otro tipo) a la tierra física. Pero cualquier circuito eléctrico o electrónico, ya sea en un avión, en un automóvil o incluso en el espacio exterior, necesita un punto de referencia para comenzar a describir los voltajes y las corrientes, y ese punto de referencia generalmente se conoce como tierra.

Es perfectamente posible producir un sistema de energía con voltaje que sea consistentemente negativo con respecto a tierra (y tierra). Si bien ya no se usaba mucho, en los años 70 y 80 la familia lógica de mayor velocidad era ECL, que usaba -5.2 voltios como voltaje base. Las computadoras Cray fueron, por un tiempo, las supercomputadoras más rápidas, y utilizaron casi exclusivamente ECL, y consumieron una gran cantidad de corriente producida por suministros de 5.2 voltios.

Entonces, ¿cuándo es necesaria la conexión de tierra y tierra? Bueno, básicamente cuando se trata de sistemas conectados a la red eléctrica de CA. Si no presta atención a eso, corre el riesgo de suicidarse si accidentalmente proporciona una ruta inadvertida para que fluya la corriente. Las líneas eléctricas deben ser referenciadas a la tierra para proporcionar protección contra rayos, por lo que deben tenerse en cuenta tales consideraciones.

Voltaje y corriente

En electricidad hay cargas positivas (generalmente protones) y cargas negativas (generalmente electrones).

Cuando un objeto está cargado positivamente y otro está cargado negativamente, entonces existe un campo electrostático. Este es el voltaje, o la posibilidad de que la carga pueda ser movida por el campo electrostático.

Si se coloca algún tipo de conductor entre los dos, fluirá una corriente. Estos serán electrones hacia protones (como en un cable conectado a una batería), o protones hacia electrones (como dentro de luces fluorescentes), o ambos fluirán en ambas direcciones (como en algunas baterías).

Tierra / Tierra / 0V / Común

La tierra y la tierra provienen principalmente de la electricidad de CA. Hoy se usan de manera intercambiable. En la distribución de alimentación de CA, literalmente conecta un lado del circuito a tierra / tierra / tierra.

0V entró en uso porque es simple. Si tiene una batería de 6V, ¿qué nombre le da a cada terminal si desea que los nombres también contengan el voltaje? + 6V y 0V parece la forma más simple. + (6V) y - (6V) también podrían usarse como el lado positivo y negativo de una diferencia de potencial de 6V, pero eso sería confuso y la gente podría pensar que el potencial entre ellos es de 12V, o que el potencial de uno a la tierra es 6V y el otro -6V etc.

Lo común vuelve a ser diferente y cobra sentido con las comunicaciones. Si está enviando una señal a través de un cable, cualquier persona que lea esa señal debe medir el voltaje entre el cable y una referencia de voltaje de punto 'común' acordado.

No soy un EE. Por lo que entiendo: el voltaje es el sesgo de potencial entre dos terminales que genera flujo de electrones a través del conductor, semiconductor o carga. Los electrones fluirán desde los terminales más negativos a los más positivos. El término GND, COM es un término relativo y no siempre es el mismo que 0Vdc

Digamos que el circuito tiene terminales: A) + 5Vdc B) 0Vdc C) + 10Vdc D) + 24Vdc
Entonces la tierra para todos los terminales definitivamente es A) 0Vdc, el electrón fluirá de B a A (5v) y B a C (10v ) y B a D (24v). Pero + 5Vdc puede considerarse un terminal común para C y D: porque el electrón puede fluir de A a C (5v) y de A a D (19v)

Algunos circuitos tienen estos terminales (por ejemplo, ATX PSU) A) -5vdc B) -12vdc C) 5vdc D) 12vdc. editar: E) 0vdc Cualquiera de los terminales de menor voltaje puede llamarse tierra para cualquier terminal de mayor voltaje.

Siempre aíslo mi referencia de dc Psu 0v de mi tierra / tierra de CA para evitar cualquier ruido de CA en el circuito de CC. Luego protejo tanto el + como el -dc usando puentes de regreso al ac en caso de que el ca sea reintroducido inadvertidamente en dc sin protección por tierra / tierra. Es un método a prueba de fallas que protege pnp, npn, personas y dispositivos. No hay humo ni golpes, solo un dispositivo de protección que seguirá disparando a menos que la falla haya sido corregida. Luego monitorizo ​​el sistema completo a través de aux / no / nc sin voltaje para determinar si está en la lógica o el cableado y determinar si ocurre en un evento lógico o físico. Luego culpo a mis programadores o ingenieros. Nueve de cada diez veces tengo que ir y arreglarlo yo mismo.