Warum brauche ich eine Masse, wenn ich eine Schaltung simuliere? Ich dachte, die Spannung zwischen zwei Knoten sei relativ!

Elektronik ist ganz neu für mich.

Ich nahm die grundlegendste Schaltung, die ich mir vorstellen 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 meinte ich solle Boden haben.

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

Ich hänge die Schaltung an:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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

GND ist der Punkt, dem Sie willkürlich 0 V zuweisen. Wenn Sie es nicht haben, kann es kein Potenzial an diesem Punkt messen.
Spannung ist per Definition eine physikalische Messung, die zwei Punkte im Raum betrifft. Daher muss Ihre Messung entweder die beiden Punkte in der Schaltung identifizieren (Differential) oder einen der Orte als Referenz (Masse) annehmen.
Zu anderen hinzufügen. Die Spannungsversorgung könnte einen internen Spannungsbezugspunkt haben, aber dies ist nicht der Fall, um mehr Flexibilität beim Design zu ermöglichen.
Simulatoren erfordern normalerweise verbundene Schaltdiagramme (keine Notwendigkeit, aber eine große Annehmlichkeit). Der Simulator hat fast immer einen Masseknoten. Die obige Schaltung hat eine schwebende Komponente und eine Komponente, die nur aus dem Erdungsknoten besteht.
Die Spannung ist relativ, aber der Simulator muss wissen, wo er relativ ist.
Zunächst einmal, wenn Sie eine Spannung zwischen IN und OUT ablesen, ist sie Null, es sei denn, die Simulation berechnet den Verlust im Kabel. Zweitens, wie unten angegeben, die Art und Weise, wie die Simulation die Mathematik ausarbeitet, die sie benötigt, um einen definierten gnd-Referenzpunkt zu haben, um den Stromfluss zu bestimmen. Wenn Sie eine positive Masse verwenden, ist der Stromfluss entgegengesetzt zu dem, was Sie annehmen.

Antworten (9)

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

In vielen elektronischen Schaltungen gibt es eine Stromversorgung mit konstanter Spannung*, die mit vielen Teilen der Schaltung verbunden ist. Konventionell ist der positivere Anschluss der Stromversorgung mit "V+" oder "Vcc" oder ...

Konventionell 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 mit einem Erdungssymbol.

Und schließlich sprechen wir per Konvention immer dann, wenn wir über die Spannung an einem beliebigen Punkt in der Schaltung sprechen, implizit über die Spannung zwischen diesem Punkt und dem Erdungsnetz.

Ihr Simulationstool erfüllt einfach diese letzte Konvention. Daher ist ein Referenznetz namens Masse erforderlich.

* oder eine Annäherung davon

Ich fügte hinzu, was meiner Meinung nach ein fehlender Punkt in dieser ausgezeichneten Antwort war. Fühlen Sie sich frei, es zu ändern, Englisch ist nicht meine Muttersprache.
Diese Antwort ignoriert wirklich die inneren mathematischen Mechanismen von Simulatoren.
@MassimoOrtolano Was wären das?
@Hamsterrific Kurz gesagt, da Ströme in einem Stromkreis nur von Potentialunterschieden 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 , gibt es immer unendlich viele Lösungen, bei denen sich die Spannungen alle um eine Konstante unterscheiden. Die meisten Methoden zur numerischen Lösung von Gleichungssystemen funktionieren nur, wenn Gleichungssysteme eine eindeutige Lösung haben, sonst versagen sie. Indem Sie den Boden fixieren, stellen Sie sicher, dass die Lösung eindeutig ist (wenn die Schaltung gut definiert ist).
Auch wenn das System den Betriebspunkt wählt, hat die Gleitkommazahlendarstellung eine variable Genauigkeit basierend auf dem absoluten Offset von 0.
@Massimo Ortolano: Falsch. Genauso wäre es möglich, ohne Definition eines Referenz-GND-Knotens ein eindeutig lösbares Gleichungssystem aufzustellen, das die Schaltung repräsentiert. Die zu lösenden Spannungen wären Spannungen über jeder Komponente (anstelle von Potentialen in Bezug auf einen GND-Knoten). Der eigentliche Grund ist also nur die Konvention, wie James Lange sagte, kein mathematischer Grund.
@Connor Wolf: Wie erklärt das irgendetwas, da das Referenz-GND-Potenzial sehr wahrscheinlich NICHT die Spannung am Arbeitspunkt ist? (und was ist, wenn es mehr als einen Arbeitspunkt gibt? Die Simulation würde immer noch einen Referenz-GND verwenden)
Hier ist eine sehr kurze (3 Seiten) Übersicht, die erklärt, wie Simulationen (wie SPICE) funktionieren. Ich denke, es verdeutlicht einige der hier angesprochenen Probleme. Sie sehen auch, dass es eigentlich natürlicher wäre, nur Spannungen zwischen Komponenten anstelle von Potentialen in Bezug auf einen GND-Knoten zu verwenden (siehe alle v ich − v j Ausdrücke); aber natürlich wird es wegen der Konvention anders gemacht.
@Curd Ich bin mir ziemlich bewusst, wie Spice funktioniert ;-) Es ist sicherlich möglich, ein eindeutig lösbares Gleichungssystem auf alternative Weise aufzustellen, aber es wäre komplizierter, als einfach das Potenzial eines Knotens festzulegen.
@Massimo Ortolano: Mein Punkt ist, dass es nicht nur möglich, sondern sogar noch einfacher wäre, das Gleichungssystem aufzustellen, ohne Potenziale in Bezug auf einen GND-Referenzknoten zu verwenden. Der Grund dafür, dass dies nicht getan wird, liegt in der menschlichen Konvention, nicht in der Mathematik.

Die Besonderheiten der Frage sind:

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

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

Es kommt darauf an, wie Simulatoren funktionieren. Simulatoren benötigen einen Referenzpunkt und dieser Referenzpunkt wird durch das GND-Symbol gekennzeichnet. intern bestimmt die Engine die Systemgleichung und Antworten anhand dieser Referenz.

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

Genau. An der Schaltung ist nichts auszusetzen. Das Problem ist das Ergebnis einer Einschränkung im Simulator.
@PeteBecker Ich bin anderer Meinung. Ein komplexes Tool wie ein Simulator könnte sehr wahrscheinlich einen beliebigen Knoten als Referenz auswählen und dann alle Berechnungen mit dieser Referenz durchführen, sie jedoch für den Benutzer verbergen und dem Benutzer nur Spannungsunterschiede anzeigen. Dies wäre schlecht für die Benutzererfahrung, aber das ist alles. Um den Benutzer zu unterstützen, verlangen Simulatoren deshalb von dem Benutzer, den Boden zu wählen. Es ist nur eine Konvention.
Aber es würde immer noch einen Knoten auswählen ... Der Punkt ist, dass es etwas braucht, auf das verwiesen werden kann. Wenn es einen Knoten willkürlich auswählt, wie und wo und zwischen Simulationen würden Sie "Sonden" platzieren. Jede Reisesonde müsste differentiell sein (was kein Problem ist, so funktioniert MATLAB).
@Hamsterrific - vielleicht hast du meine Verwendung von "Einschränkung" als hart angesehen. Der Grund dafür, dass 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 der Simulator sie nicht mag.
Genau. Nehmen Sie eine klassische isolierte Flyback-Schaltung. Die "schwebende" Seite ist etwas, mit dem fast alle Simulatoren zu kämpfen haben, da es nichts zu referenzieren gibt (SABER ist böse "Jacobian Maxtrix Errors", SIMextrics etwas zahmer ... Simscape ist lustig.). Die klassische Art, dem Simulator zu helfen, ist ein hochohmiger Widerstand zum Referenzknoten. Wenn der Simulator willkürlich einen Knoten ausgewählt hat, was wäre, wenn er für die nächste Simulation die andere Seite des XFMR gewählt hätte? Indem der Benutzer gezwungen wird, den Referenzpunkt anzugeben, bietet es ein gewisses Maß an Gewissheit für die Ergebnisse
Persönlich hasse ich Simulationstools ... zu oft muss man "Zeug hinzufügen", um die Simulatoren zufrieden zu stellen, und für ein so genanntes komplexes Tool sind sie nicht so schlau ... Dann haben Sie schlechte Ingenieure, die keine Ahnung haben, was die cct ist bedeutete in erster Linie todo, den Ergebnissen blind zu vertrauen

Normalerweise wird davon ausgegangen, dass die Minusseite (-) des Netzteils 0 V beträgt. Wenn Sie also die Masse an die Minusseite anschließen, beträgt diese 0 V. Die Plusseite (+) beträgt 1 V (GND +). Differenz = 0 + 1 = 1)V.

Wenn Sie die Masse auf die Plusseite legen würden, wäre die Minusseite -1 V.

In der Tat. Es gibt zwei Knoten in dieser Schaltung. Befestigen Sie GND nacheinander an jedem und sehen Sie, was die Simulation tut; wird nicht lange dauern.

Du liegst ziemlich richtig. Der "Ausgangs" -Knoten kann keine Spannung messen, es sei denn, es wird dem anderen Punkt mitgeteilt, dass er sie vergleichen soll. Das ist der einzige Zweck des "Masse"-Punktes.

Wenn Sie nicht nach einer zu messenden Spannung fragen, denken Sie vielleicht, dass es zumindest einen Strom an einem Knoten messen könnte. Aber die SW muss Spannungen berechnen, um Ströme zu berechnen, also braucht sie einen Massebezugspunkt für ihre eigenen Berechnungen.

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

Der Grund ist, wie Sie die Schaltung beschreiben. Sie haben Recht. Alle Spannungen liegen an 2 Punkten. Es gibt keine "Wie hoch ist die Spannung am Punkt IN", Sie können nur sagen "Wie hoch ist die Spannung zwischen IN und OUT".

Um das Sprechen (und Denken) über eine Schaltung zu vereinfachen, ist es daher üblich, etwas in der Schaltung als "das ist Null" zu deklarieren und es "Masse" zu nennen. Sie können also sagen "Spannung an IN ist 1 V", aber was Sie eigentlich meinen, ist "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 das Festlegen des Bodenpunkts ist es nicht möglich, 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 Ergebnisse präsentiert werden .

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 geschieht dies durch eine Verbindungsliste. Wenn diese beiden an eine Wasserleitung, die Oberseite einer Tesla-Spule, die 220-Volt-Wechselstromversorgung, die Oberseite eines Van-de-Graf-Generators oder den Drachen von Ben Franklin angeschlossen sind, ist der vom Simulator berechnete Strom im Widerstand gleich .

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

Denken Sie daran: Widerstand ist zwecklos!

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

Ihre Schaltung ist wie folgt

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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

Jetzt wissen wir für Ihre Spannungsquelle Bescheid v EIN − v B = 1 v

Das kennen wir auch von der Widerstandsseite

ich = ( v EIN − v B ) / R welches ist ich = 1

Jetzt kann ich Ihnen unendlich viele geben v EIN und v B die noch befriedigen v EIN − v B = 1

Zum Beispiel v EIN = 5 & v B = 4 gibt noch v EIN − v B = 1 und dies ist eine gültige Lösung.

Können Sie sehen, warum der Simulator es nicht lösen kann? Bcz gibt es keine eindeutige Lösung v EIN oder v B Hier.

Alle Spannungsdifferenzen und Ströme sind immer noch definiert. Absolute Spannungen jedoch nicht.

Damit die absolute Spannung definiert werden kann (und damit unser Simulator eine Lösung wirft). Sie brauchen eine Referenz. Diese Referenz wird normalerweise als Masse gewählt.

Wenn Sie beides definieren v EIN oder v B dann existiert eine eindeutige Lösung.

Allgemeine Praxis sein.. machen v B = 0

Das sehen wir dann als Lösung an v EIN = 1 Sie können zwingen v B zu jeder anderen Spannung.

Stellen Sie sich eine noch einfachere Situation vor:

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

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

Was wäre Ihre Antwort?

120 Fuß ? Bist du dir sicher ?

Was ist, wenn sich das Gebäude auf dem Mt. Everest befindet (der selbst etwa 29000 Fuß über dem Meeresspiegel liegt)?

Obwohl Sie das vom 0. Stock zu Ihnen sagen können. Der Unterschied beträgt 120 Fuß. Obwohl Sie das von der 1. Etage zu Ihnen sagen können. Der Unterschied beträgt 110 Fuß.
Sie können Ihre absolute Höhe nicht definieren, wenn Sie nicht wissen, von wo aus Sie messen.

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

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

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

Simulieren Sie die beiden folgenden Schaltungen und Sie werden verstehen, wovon ich spreche.

  1. Nullter Stock als Referenz :Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  2. Bezugspunkt ist der Meeresspiegel:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Alles Gute !!

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

Für eine einfache Schaltung sind Sie richtig. Ihr Diagramm kann ohne Masse ausgeführt werden.

Wenn Sie diese Elemente in realem Wort verbinden, können Sie Strom und Spannung messen, wo immer Sie wollen, also ist es legitim.

Der Simulator ist eine Software und wurde entwickelt, um alle möglichen Schaltungen zu berechnen. In einigen Curcits benötigen Sie also eine Erdung, um die Schaltung zu verstehen.

In Anbetracht Ihrer Schaltung kann ich Ihnen ein Beispiel zeigen

Entweder Anode oder Kathode können richtig geerdet werden?

Nehmen wir an, wir legen den positiven Pin der Stromquelle auf Masse.

Die Schaltung wird gut funktionieren, aber es macht keinen Sinn, eine positive Spannung an der Schaltung zu messen, aber die physikalische Realität ändert sich nicht. (also die Strom- oder Wärmeproduktion oder der Stromverbrauch etc.)

Wenn der negative Pin geerdet ist, können wir positive Spannung messen, aber alles andere bleibt gleich Stromverbrauch, Wärme, Strom und seine Richtung usw.

Wie Sie sagten, ist es relativ, was bedeutet, dass sie gleich sind. Wenn Sie sagen, ich bin 5 cm größer als mein Freund oder wenn Sie sagen, mein Freund ist 5 cm kleiner als ich.

Die Software fragt Sie, welche ich sagen soll.

Bezugspunkt ist der Boden. Wo Sie den Boden setzen, ändert den Satz und nicht die Ergebnisse.

Bitte stellen Sie weitere Fragen, wenn Sie weitere Klarstellungen benötigen.

Eigentlich gibt es zwei Gründe.

Erstens ist es eine Simulation. Wenn Sie in der realen Welt eine 1-V-Stromquelle (mit einer hohen Stromkapazität (dh eine starke Spannungsquelle, keine gewöhnliche AA-Batterie)) an einen 1-Ohm-Widerstand anschließen, erhalten Sie definitiv 1 A ohne Erdung.

Aber..

Zweitens wird es auch in der realen Welt verwendet, um negative Spannungen zu erzeugen. Und der Simulator möchte wissen, was Sie versuchen zu tun. Wenn Sie die negative Seite der Stromquelle erden, ist die Schaltung gleich, da Sie sie nicht geerdet haben (fast gleich). Wenn Sie jedoch die positive Seite der Stromquelle erden, ändert die Funktion der Schaltung die Messungen an der Schaltung nicht wird und das würde einen Unterschied machen.

Im ersten Beispiel, wenn Sie den unteren Teil (- Ende) erden, haben Sie 1 V und 0 Volt (Masse), die Differenz beträgt 1 V und der Strom 1 A. Aber im zweiten Beispiel, wenn Sie das obere (+ Ende) erden, werden Sie haben -1 V unten und 0 Volt oben, die Differenz beträgt 1 V und der Strom 1 Ampere. Beide Schaltungen funktionieren genau gleich, aber die Messungen sind +1 bis 0 gegenüber 0 bis -1. Und darin unterscheiden sie sich. SO fragt Sie der Simulator nach einer Entscheidung, welche Sie bauen möchten.

Ich habe die positive Seite einer starken 1-Volt-Quelle mit einer Seite eines 1-Ohm-Widerstands verbunden, aber der Strom war Null. Benötige ich eine stärkere Spannungsquelle?
Warum brauche ich eine Masse, wenn ich eine Schaltung simuliere? Ich dachte, die Spannung zwischen zwei Knoten sei relativ!
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