¿Existe realmente una cosa como un voltaje de CC negativo (con referencia a tierra física)?

El voltaje se puede interpretar como una medida de la energía potencial de una carga de prueba teórica dividida por su magnitud (dimensionalmente, los voltios son julios por culombio). Al igual que con muchos potenciales en la física clásica, esta es una cantidad relativa, lo que significa que su medición de un potencial se encuentra entre algunos dos puntos o estados.

Físicamente, no hay nada incompatible con la idea de que el potencial relativo de algún punto P sea negativo cuando se haga referencia a tierra, o cualquier otra referencia para esa materia. Todo lo que significa es que una carga teórica positiva perdería cierta cantidad de energía potencial al moverse desde su tierra o referencia a P.

Podemos darnos cuenta fácilmente de esto mediante una demostración con varios ejemplos que deberían probar que existe una "verdad" tal como un voltaje de CC negativo con referencia a tierra física:

1. Electroquímico: suponga que el pin de tierra de la izquierda está físicamente conectado a tierra conectándolo a tierra (por ejemplo, enterrando un electrodo en tierra húmeda al aire libre). La etiqueta -5V tiene una señal clara y demostrable de voltaje negativo con respecto a tierra física.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

2. Bombas de carga y reguladores de conmutación: hay una serie de topologías de circuitos que pueden producir un voltaje negativo dado un suministro positivo. El más simple sería una bomba de carga, donde un condensador se carga y descarga alternativamente:

^{simular este circuito}

Suponga, como antes, que el símbolo de tierra puede entenderse como conexión a tierra o el uso de cualquier referencia que sea conveniente para usted.

Inicialmente, SW1 y SW3 están cerrados, lo que hace que el potencial en A aumente sobre el potencial en B. Luego, SW1 y SW3 se abren, y luego SW2 y SW4 se cierran. Dado que A está debajo de B, pero A ahora está conectado a tierra (ya sea tierra física, la conexión GND de su Arduino, tierra de Marte, etc.), B y VOUT están bajo tierra. Con la adición de capacitores adicionales y el uso de interruptores de semiconductores rápidos, esto es algo que es realizado comercialmente como una forma práctica de producir voltajes más bajos que su suministro más bajo.

Con las precauciones de seguridad adecuadas y los componentes y herramientas de medición adecuados, debería poder verificar estos ejemplos y reclamaciones si lo desea.

Sí, lo es. Tu problema es que estás confundiendo el terminal que se llama GND con la gran bola de tierra que es la Tierra. Pueden o no estar conectados.

En su ejemplo, si introduce una varilla de tierra en el suelo, luego conecta un cable a la terminal marcada con + 5V, entonces la terminal etiquetada como GND estará a 5V por debajo del voltaje de la Tierra. Será a -5V.

El hecho de que esté etiquetado como GND es irrelevante.

Pero si conecta GND y el terminal de + 5V a la Tierra, habrá un cortocircuito.

Puede ser más fácil considerar hacerlo con dos baterías de 5V. Cada uno tendrá los terminales marcados con + y -, y ninguno de los terminales estará etiquetado como GND. Pase un cable desde la varilla de tierra a la terminal de una de las baterías. la otra terminal ahora estará a + 5V en relación con la Tierra. Ahora también conecte ese cable al terminal + de la otra batería. El terminal de esa segunda batería estará a -5 V en relación con la Tierra.

Cada fuente de alimentación independiente nos proporciona un voltaje de salida flotante, ya que está aislado de la fuente. Por lo tanto, no puede medir voltajes entre 2 fuentes de alimentación diferentes.

Cuando hablamos de la CD, generalmente el pin de GND (o el común, como se usa más a menudo) es algo que no está conectado a tierra y no tiene nada que ver con eso.

Por lo tanto, cuando tiene una fuente de alimentación, que tiene 2 salidas (o 3 conectores de salida), solo hay 2 fuentes de alimentación dentro de la misma caja, que están aisladas unas de otras hasta las conexiones de salida, donde Vcc del segundo está conectado al común (o GND) en la salida.

Espero haber respondido a tu pregunta.