Warum sollte ein Stromkreis geerdet werden?

Warum sollte eine Transistorschaltung geerdet werden? Ich verstehe es so, dass Masse eine unendliche Versorgung mit Elektronen ist und daher dem Minuspol einer Batterie entspricht. Aber auf dieser Seite gibt es sowohl einen Minuspol als auch die Schaltung ist geerdet. Wenn ich das richtig verstanden habe, brauchen wir einen positiven Anschluss, einige Schaltungselemente und einen negativen Anschluss, damit eine Schaltung vollständig ist. Wenn die Erdung einem Minuspol entspricht, warum brauchen wir sie dann in der oben gezeigten Schaltung? (Übrigens waren alle Schaltungen in dem Buch, auf das ich mich beziehe , nicht geerdet, bis die Transistoren anfingen. Man könnte sagen, dass dies zur Verwirrung beigetragen hat.)

Das Konzept einer relativen Erdung wird interessant, wenn Sie es mit vielen verschiedenen Schaltungen zu tun haben, die von einer Vielzahl von Netzteilen gespeist werden und Datensignale gemeinsam nutzen. Vor einigen Jahren bauten wir ein interaktives Exponat (das die CO2-Abscheidung und -Speicherung demonstriert), das ein gutes Dutzend Netzteile mit unterschiedlichen Gleichspannungen sowie ein Chassis von National Instruments enthielt, das einige Signal- und Datenkarten ansteuerte. Erst als jede „Masse“ auf jedem Schaltkreis mit der Masse des NI-DAQ-Chassis verbunden war, funktionierte das Exponat. (Die meisten DC-Adapter haben einen Plastik-Erdungsstift am Netzstecker: Sie interessieren sich nicht einmal für "echte"

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Der Begriff „Boden“ kann verschiedene Bedeutungen haben. Wenn ein Stromkreis lokal betrachtet wird, ist Masse einfach das eine Netz, das jemand ausgewählt hat, um 0 V zu nennen, sodass alle anderen Spannungen als relativ dazu verstanden werden. Spannung ist schließlich ein relativer Begriff. Es gibt keine absoluten 20 V, nur 20 V hier in Bezug auf dort . "Ground" ist eine praktische Kurzform für ein gemeinsames Dort , damit Sie es nicht ständig sagen müssen.

Eine solche Masse wird oft als negative Versorgungsspannung gewählt. Das macht andere Spannungen positiv, was die Dinge mental einfacher macht. Im Allgemeinen versuchen Sie, Masse als Punkt in den Schaltungssignalen und dergleichen zu wählen, auf die einzelne Unterabschnitte verweisen. Normalerweise gibt es eine klare und offensichtliche Wahl. Manchmal muss man sich einfach für eine entscheiden.

Die andere „Masse“ bezieht sich auf reales Erdpotential oder zumindest auf das Potential der allgemeinen Umgebung. Dies ist wichtig, wenn Strom und Signale von Ihrem kleinen Schaltkreis kommen oder außerhalb davon gehen. Aus Gründen der Stromversorgung und Sicherheit müssen Sie davon ausgehen, dass ein Benutzer an diese Masse gebunden sein könnte, und Sie müssen sicherstellen, dass Sie kein gefährliches Potential zur Masse haben, um zu vermeiden, dass jemand gezapft wird. Die Erdung kann auch für Funksysteme von Bedeutung sein, da einige Antennentypen tatsächlich die Erde als Teil des gesamten Antennensystems verwenden.

Eine endliche Energiemenge wäre erforderlich, um ein Elektron unendlich weit von einem Proton wegzubewegen. Als solches könnte man "absolute Null Volt" als die Energie eines Protons definieren, das unendlich weit von einem Elektron entfernt ist, und andere Spannungen relativ dazu definieren. Ich denke, eine nützlichere Analogie wäre die Erhebung; Man könnte die Höhe als Abstand vom Erdmittelpunkt definieren und die Statur einer Person theoretisch messen, indem man die Höhe ihrer Füße von der ihres Kopfes subtrahiert, aber es ist viel praktischer ...
...den Abstand zwischen Kopf und Füßen direkt zu messen. Im Fall von Spannungen würde der Grad der Unsicherheit bei jeder absoluten Spannungsmessung alle interessierenden relativen Spannungen bei weitem übersteigen. Das absolute Maß existiert konzeptionell, aber nicht als etwas praktisch Nützliches.
Als Beispiel dafür nimmt ein Spannungsmesser die Differenz zwischen den beiden Leitungen. Auf diese Weise ist die auf dem Bildschirm des Messgeräts abgelesene Spannung die Potentialdifferenz relativ zur anderen Leitung. In den meisten Fällen ist eine der von Ihnen verwendeten Leitungen der Punkt in Ihrem Stromkreis, den Sie als Masse definiert haben .
Beachten Sie auch, dass Spannung aus mathematischer Sicht nichts anderes ist als die Energie, die erforderlich ist, um eine Einheitsladung (1 C) von einem Punkt zum anderen zu bewegen. Der andere Punkt ist Ihr Punkt von Interesse und der frühere Punkt ist oft Boden . Die Spannung wird in Einheiten von Joule/Coulomb (J/C) gemessen. Aus Wiki :voltage [is] work done per unit charge against a static electric field to move the charge between two points.

Aus Schaltungsperspektive ist Masse relativ - es ist nur ein Name für einen Draht (Spur, Netz, Knoten usw.), in Bezug auf den andere Dinge gemessen oder angesteuert werden können. Als solches ist es weitgehend willkürlich - zum Beispiel gibt es (oder gab es zumindest) Kraftfahrzeuge, bei denen der positive Batteriepol und nicht der negative mit der Karosseriemasse verbunden war. Die Hinzufügung eines Erdungssymbols in Ihrem Buch zum gleichen Zeitpunkt, als Transistoren eingeführt wurden, ist entweder eine zufällige Stiländerung oder eine allgemeine Steigerung der Komplexität der Diagramme zu einem Zeitpunkt, an dem die Komplexität zunimmt und damit zu Organisationsprinzipien führt wie die Idee eines "Bodenknotens" wertvoller.

In einer Kommunikationsschaltung, insbesondere einem Funkgerät, kann "Erde" eine wörtliche Bedeutung oder zumindest eine Verbindung zu einer Erdung haben (möglicherweise ein leitender Pfahl, der weit in den Boden getrieben wird, möglicherweise mit dem umgebenden Boden, der chemisch behandelt wird, wenn dies nicht der Fall ist ausreichend leitfähig). Aber das gilt möglicherweise nicht zuverlässig für ein tragbares Walkie-Talkie, und es gilt sicherlich nicht für eine Flugzeugfunkanlage - tatsächlich kann sich das Potenzial des Flugzeug-"Bodens" während des Fluges ganz von dem des Bodens "Boden" unterscheiden .

Aber während wir in der Schaltung „Masse“ als rein relativ betrachten, gibt es in Chemie und Physik ein Konzept der neutralen Ladung, das eigentlich absolut ist. Eine neutrale Ladung ist das, was Sie in einem Atom oder Molekül mit einer gleichen Anzahl von Protonen und Elektronen oder einer größeren Einheit von Materie mit gleichen Nettozahlen haben würden. Die absolute Ladung eines Objekts bestimmt die Kraft der rechten Hand, die es erfahren würde, wenn es sich durch ein Magnetfeld bewegt, während die Ladung relativ zu einer anderen Ladung in der Nähe das zwischen den beiden aufgebaute elektrische Feld (und die resultierende Kraft) bestimmt.

Da wir auch zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis ein elektrisches Feld erzeugen können, mag es verlockend sein, sich vorzustellen, dass "Erde" eine neutrale Ladung hat, aber letztendlich gibt es nichts, was besagt, dass dies der Fall sein muss. Tatsächlich hat die Erde relativ zur Atmosphäre eine negative Ladung, obwohl ich keine fertige Antwort auf die absolute Ladung der Erde, die bedeutungsvolle Atmosphäre oder beides zusammen finde. Vermutlich sind wir leicht dem Magnetfeld der Sonne ausgesetzt. Wenn die Erde also eine ausreichend große Nettoladung hätte, würde dies zu einer gewissen Bahnstörung führen, aber dann ist das Thema Sonnenmagnetismus enorm kompliziert - einschließlich der Feldschleifen, die als Sonnenflecken bezeichnet werden und ihre eigenen mehr haben offensichtliche Auswirkungen auf die Funkkommunikation und lange Leitungen hier auf der Erde ...

Das bedeutet also, dass Masse keinen negativen Anschluss bedeutet, wie ich in meiner Frage erwähnt habe. Es ist so etwas wie ein 0-Pegel zum Messen von Potentialunterschieden. Wenn ich die Potentialdifferenz zwischen Masse und dem Pluspol einer Zelle messe, wirkt die Masse als Minuspoläquivalent. Wenn ich dasselbe für den Minuspol mache, wirkt die Masse jetzt wie ein Pluspoläquivalent. Habe ich das Konzept richtig verstanden?
Auch dann erkenne ich die Bedeutung der Erwähnung der Masse im Schaltplan nicht. Können Sie das bitte klären?
Die wirkliche Bedeutung des Bodens kommt im Allgemeinen nicht davon, dass er "Boden" genannt wird, sondern von dem, was Sie damit verbinden. Wenn Sie es an den Minuspol der Batterie anschließen, können Sie eine positive Spannung zwischen dem Pluspol und Masse messen; Wenn Sie Masse mit dem Pluspol der Batterie verbinden, können Sie eine negative Spannung zwischen Masse und dem Minuspol messen. Oft ist die Wahl, welcher Punkt in Ihrer Schaltung geerdet werden soll, rein organisatorisch oder bevorzugt, obwohl es einige Sonderfälle geben kann, in denen die Physik eine Situation vorteilhafter als eine andere macht.
Wenn Sie außerdem einen isolierten Stromkreis haben (batteriebetrieben, nichts Leitendes berühren), hat es absolut keine elektrische Bedeutung, ein einzelnes Erdungssymbol in seinem Diagramm zu platzieren. Wenn Sie jedoch zwei Symbole platzieren, besteht die Idee darin, dass sie durch einen physischen Draht (möglicherweise das Gehäuse selbst) verbunden sind, der im Diagramm nicht dargestellt ist. Fortgeschrittenere Schaltungen erfinden zusätzliche Symbole für nicht gezeichnete Drähte - typischerweise Versorgungsspannungen und gelegentlich benannte Signale, die an verschiedenen Stellen in der Schaltung wieder auftauchen, die es unordentlich wäre, sie mit gezogenen Linien zu verbinden.
@ChrisStratton, für den Nutzerschutz nicht relevant? Ich würde aus Sicherheitsgründen jedem Stromkreis, der Strom zieht, ein geerdetes Gehäuse hinzufügen.
@Kortuk - denken Sie darüber nach, in einer Schaltung ohne Verbindung zu irgendetwas anderem, wie in meinem Beispiel angegeben, spielt es keine Rolle, wo Sie ein Erdungssymbol platzieren oder ob Sie überhaupt eines dort platzieren. Fügen Sie jedoch eine externe Stromquelle hinzu, an die eine Person angeschlossen sein könnte. Ja, es ist im Allgemeinen eine gute Idee, alle leitfähigen Teile des Stromkreises oder Gehäuses, mit denen der Benutzer in Kontakt kommen könnte, mit derselben Masse wie die zu verbinden externe Stromversorgung.
@ChrisStratton, ich habe darüber nachgedacht. Wenn ich eine Batterie verwende, müsste ich das Gehäuse nicht an Masse binden, das ist mir klar, ich bezog mich allgemein auf Ihre Antwort. Der Hauptgrund, warum Sie einen Teil Ihres Stromkreises an eine externe Masse statt an Ihre neutrale Leitung binden, ist die Sicherheit Gründe dafür. Sie möchten Ihre Stromkreise offline schalten, wenn die heißen Signale Ihr Metallgehäuse berühren.
@Kortuk - ja, aber das ist nur sinnvoll, weil die Stromquelle eine Vorstellung davon hat, was "Masse" ist, die Sie erben, wenn Sie sich entscheiden, diese Stromquelle zu verwenden. Mit einer anderen Stromquelle würde es eine andere Idee geben. Bei Batterien oder einer gemeinsamen isolierten externen 2-Draht-Versorgung steht keine externe Masseverbindung zur Verfügung, die vererbt werden kann.
@ChrisStratton, im Bereich der gestellten Frage würde ich annehmen, dass dies der einzige vernünftige Grund ist, den Boden hinzuzufügen, aber wie immer hätte er hinzugefügt werden können, weil ihm jemand gesagt hat, ein Erdungskabel würde bei Rauschen helfen.
@Kortuk - im Gegenteil, in einem Kapitel über Transistoren, wie in der Frage zitiert, würde ich stark vermuten, dass die Idee einer Masse für Zwecke der Schaltungsorganisation verwendet wird - Themen wie Stromversorgungssicherheit und Interferenzabschirmung bleiben wahrscheinlich übrig andere Kapitel, wenn nicht andere Bücher.
@ChrisStratton, dann mein Fehler.

Chris hat eine komplexere Antwort gegeben, also mache ich eine einfache.

Diese Verwirrung ist vor allem ein Problem der englischen Sprache, die denselben Namen für verschiedene Konzepte verwendet. Auf Deutsch würde dieser seltsame neue Boden Masse heißen und ist ein bisschen anders als echter Boden.

Im Grunde ist die Masse nur ein bequemer Knoten in der Schaltung. Theoretisch kann es absolut jeder Knoten in der Schaltung sein (mehr dazu in Chris 'Antwort), aber in der Praxis ist es nur eine einfachere Möglichkeit, die Verbindung zum Minuspol der Batterie anzuzeigen. Schauen Sie sich zum Beispiel diese Schaltung an. Hier habe ich den Minuspol der Batterie an Masse und die Kathode der Diode an Masse angeschlossen. Das ist dasselbe wie bei dieser Schaltung, bei der die Kathode explizit mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist.

Eine andere Sache, die normalerweise mit der Masse einhergeht, ist die Spannungsquelle mit einem Anschluss. Schauen Sie sich diese Schaltung an. Es ist dasselbe wie bei den anderen beiden, aber hier sehen wir die Batterie überhaupt nicht. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Sie jetzt in die echte Elektronik einsteigen und komplexere Schaltungen erwarten können. Sie können sehr schnell sehr kompliziert zu lesen sein, daher werden die Spannungsquelle mit einem Anschluss und die "Masse" -Symbole verwendet, um anzuzeigen, dass die Komponente an die Batterie angeschlossen ist. Beispielsweise ist es bei dieser Schaltung für die Schaltung selbst völlig unerheblich, wie die Spannungsquelle aussieht und wie der Emitter des Transistors mit dem Minuspol verbunden ist.

Oft haben Sie einen separaten Masseanschluss, um das Gehäuse und die Abschirmung Ihres Geräts über die Masse zu verbinden. Dies ermöglicht Schutzschaltungen und schützt die Benutzer vor einem Kurzschluss der heißen Leitung zum Gehäuse und einer Gefährdung des Benutzers.

Hier sind zwei lustige Bilder, die einen Gravitationsboden veranschaulichen ...

Gravitationsgrund

... und eine elektrische Masse .

Elektrische Masse

Erdung und Erdung im weiteren Sinne sind die gleichen Konzepte. Sie beziehen sich auf die relative Spannung. Immer wenn wir etwas mit 0 Volt (Nullpotential) nehmen, wird dies als Erdung bezeichnet. Zum Beispiel betrachten wir 5 V. Es bedeutet, dass die negative Platte ist bei 0 V und positiv bei 5 V. Dies ist bzgl. Masse. Und wenn wir bzgl. Masse nicht nehmen, bedeutet dies, dass positiv bei 2,5 V und negativ bei -2,5 V liegt, was wiederum 2,5 (-2,5) = 5 V ergibt . Somit ist GROUNDING nichts anderes als die Referenz, was wir bezüglich 0 V nehmen.

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