Explicación intuitiva para los filtros

El filtro de paso bajo RC (LPF) es el más sencillo de entender de manera intuitiva.

Elcondensadorreaccionalentoalacorrientequerecibe,elvoltajeaumentarálentamente.Si\$V_{IN}\$esunvoltajefijo,elvoltajeatravésdelcapacitoraumentaráexponencialmentehastaquealcance\$V_{IN}\$.DCnosefiltraenabsoluto.

SiaplicaunaseñaldeCA,lacorrientevadeunladoaotroatravésdelaresistencia,cargandoydescargandoelcondensador.Siestoocurrelentamente,abajafrecuencia,elvoltajedelcapacitorpuedemásomenosseguirlacargayladescarga,ysuvoltajeestarácercadelvoltajedeentrada.Perocuantomásaltaeslafrecuencia,másrápidocambialadireccióndelacorriente,yelcambiotendrálugarantesdequeelcondensadorestécompletamentecargado.Asíquelatensióndeentradayanosealcanza.Parafrecuenciasmuyaltas,loscambiosenladireccióndelacorrientesontanrápidosquelaamplituddevoltajeatravésdelcapacitoressolounafraccióndelaentrada.

Tenemosunfiltrodepasobajo:lasfrecuenciasbajassepasanconpocaatenuación,mientrasquelasfrecuenciasmásaltasseatenúanmás.

LosfiltrosLCsonmuchomenosintuitivos.

En este circuito paralelo, parte de la corriente circulará entre el inductor y el condensador, y la corriente neta disminuirá a medida que se acerque a la frecuencia de resonancia. En la frecuencia de resonancia, la corriente neta es incluso completamente cero, como si L y C no estuvieran allí.

De la misma manera, un circuito en serie LC formará una impedancia cero en la frecuencia de resonancia, como si solo hubiera una resistencia.

No estoy seguro de si esto se considera intuitivo o no, ¡pero supongo que ya veremos!

Los filtros simples RC / RL son bastante intuitivos una vez que capta la respuesta básica de los condensadores e inductores a las señales de varias frecuencias, lo que claramente hace.
Los condensadores actúan como (en su mayoría) circuitos abiertos para señales de baja frecuencia y (en su mayoría) cortocircuitos para señales de alta frecuencia, mientras que los inductores son lo opuesto, y pasan fácilmente las frecuencias bajas pero bloquean las altas.

Esto puede verse por sus reactancias, XC para el condensador y XL para el inductor:

$$ X_C = \ frac {1} {\ omega C} $$ $$ X_L = \ omega L $$

donde ω es la frecuencia angular de la señal. Claramente, la reactancia del capacitor crece a medida que se contrae, y viceversa.

Conectemos un condensador a una resistencia:

Segúnloanterior,paralasseñalesdebajafrecuencia,elcondensadoractuarácomouncircuitoabierto,ylamayorpartedelvoltajedeentradacaeráatravésdeél,porloqueelfiltrolospasa(silasalidasetomaenelpuertoaladerecha).
Paraseñalesdealtafrecuencia,locontrarioescierto;Elcondensadoractúacomouncortocircuito,loquellevaaquetengapocaoningunacaídadevoltajeenél,porloqueelfiltroatenúaestasfrecuencias.

En un circuito RL, el inductor disminuirá poco o nada de voltaje para las señales de baja frecuencia, por lo que estas señales se atenuarán. A medida que las señales aumentan en frecuencia, la reactancia inductiva se convierte en un factor mayor, por lo que cada vez más señales pasan al puerto de salida.

Y, por supuesto, podemos cambiar la posición de los dos elementos, y tomar la salida a través del otro, para hacer filtros RC de paso alto y paso bajo, y lo mismo ocurre con los filtros RL.

... Aunque sospecho que sabes tanto, si sabes reactancia.

Aquí hay una explicación súper simplificada de un filtro RC o LC:

Primero, hay una cosa llamada impedancia. La impedancia es la misma que la resistencia, excepto que depende de la frecuencia. Un inductor tiene una resistencia más baja, frecuencias bajas y una resistencia más alta a frecuencias más altas. Se invierte una tapa, alta resistencia a bajas frecuencias.

Cuando haces un filtro, RC o LC, puedes imaginarlo como un simple divisor de voltaje hecho con dos resistencias. Pero, una de esas resistencias es realmente una L o una C, por lo que su "resistencia" variará con la frecuencia. Al analizar matemáticamente, puedes averiguar cuál es la relación del divisor de voltaje "en diferentes frecuencias.

No voy a entrar en las matemáticas, ya que hay otras respuestas que lo hacen mejor que yo. Pero para una comprensión de alto nivel de lo que sucede dentro de un filtro LC o RC, esto funcionará.

  

pero me preguntaba si eso podría explicarse físicamente.

Sí. Todos los componentes R L C tienen equivalentes mecánicos, que también pueden usarse para hacer filtros.

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Si conecta un resorte a un amortiguador, por ejemplo, y luego empuja repentinamente el extremo del resorte hacia adentro, el resorte se comprimirá, pero el otro extremo del resorte que está en el amortiguador no se moverá de inmediato. Luego, el otro lado empujará más lentamente hacia el amortiguador, hasta que el resorte vuelva a su longitud original. Usted aplicó una función escalonada al resorte, pero el punto en el que están conectados reaccionó solo a los componentes de baja frecuencia de su empuje. Esto es lo mismo que la respuesta al paso de un filtro de paso bajo: