Giải thích trực quan cho các bộ lọc

Bất cứ ai cũng có thể cung cấp một lời giải thích trực quan cho hành động lọc của các mạch RC hoặc LC? Tôi biết điều trị toán học liên quan đến phản ứng nhưng tôi đã tự hỏi nếu điều đó có thể được giải thích về thể chất?

Bộ lọc thông thấp RC (LPF) là đơn giản nhất để hiểu theo trực giác.

Các tụ điện phản ứng chậm với hiện tại nó nhận được, điện áp sẽ tăng chậm. Nếu là điện áp cố định, điện áp trên tụ sẽ tăng theo cấp số nhân cho đến khi đạt . DC hoàn toàn không được lọc. $V_{IN}$$V_{IN}$

Nếu bạn áp dụng một dòng tín hiệu AC đi qua lại qua điện trở, sạc và xả tụ điện. Nếu điều này diễn ra chậm, ở tần số thấp, điện áp của tụ điện có thể ít nhiều tuân theo quá trình sạc và xả, và điện áp của nó sẽ ở gần điện áp đầu vào. Nhưng tần số càng cao thì sự thay đổi hướng dòng điện càng nhanh và sự thay đổi sẽ diễn ra trước khi tụ được sạc đầy. Vì vậy, điện áp đầu vào không còn đạt được. Đối với tần số rất cao, sự thay đổi theo hướng hiện tại nhanh đến mức biên độ điện áp trên tụ chỉ là một phần nhỏ của đầu vào.

Chúng tôi có bộ lọc thông thấp: tần số thấp được truyền với độ suy giảm nhỏ trong khi tần số cao hơn bị suy giảm nhiều hơn.

Bộ lọc LC ít trực quan hơn.

Trong phần mạch song song này của dòng điện sẽ lưu thông giữa cuộn cảm và tụ điện, và dòng điện ròng sẽ giảm khi bạn càng gần tần số cộng hưởng. Ở tần số cộng hưởng, dòng điện thậm chí hoàn toàn bằng không, như thể L và C không có ở đó.

Theo cách tương tự, một mạch LC loạt sẽ tạo thành trở kháng bằng 0 ở tần số cộng hưởng, như thể chỉ có điện trở.

Tôi không chắc điều này có được coi là trực quan hay không, nhưng tôi cho rằng chúng ta sẽ thấy!

Các bộ lọc RC / RL đơn giản khá trực quan khi bạn nắm được đáp ứng cơ bản của tụ điện và cuộn cảm với các tín hiệu có tần số khác nhau, điều mà bạn rõ ràng làm.
Các tụ điện hoạt động như (hầu hết) các mạch mở cho tín hiệu tần số thấp và (hầu hết) ngắn mạch thành tín hiệu tần số cao, trong khi cuộn cảm thì ngược lại, và dễ dàng truyền tần số thấp nhưng chặn cao.

Điều này thực sự có thể được nhìn thấy bởi các phản ứng của họ, XC cho tụ điện và XL cho cuộn cảm:

trong đó ω là tần số góc của tín hiệu. Rõ ràng, phản ứng của tụ điện tăng lên khi ω co lại và ngược lại.

Hãy kết nối một tụ điện với một điện trở:

Như trên, đối với các tín hiệu tần số thấp, tụ điện sẽ hoạt động như một mạch mở và hầu hết điện áp đầu vào sẽ rơi qua nó, do đó bộ lọc sẽ truyền chúng (nếu đầu ra được lấy ở cổng bên phải).
Đối với tín hiệu tần số cao, điều ngược lại là đúng; tụ điện hoạt động như một mạch ngắn, dẫn đến nó có ít hoặc không có điện áp rơi trên nó, do đó các tần số này bị suy giảm bởi bộ lọc.

Trong mạch RL, cuộn cảm sẽ giảm ít hoặc không có điện áp cho tín hiệu tần số thấp, do đó các tín hiệu này sẽ bị suy giảm. Khi tín hiệu tăng tần số, phản ứng cảm ứng trở thành một yếu tố lớn hơn, do đó ngày càng nhiều tín hiệu được truyền đến cổng đầu ra.

Và, tất nhiên, chúng ta có thể chuyển đổi vị trí của hai phần tử và đưa đầu ra qua phần tử kia, để tạo cả bộ lọc RC thông thấp và thông cao, và tương tự cho các bộ lọc RL.

... Mặc dù tôi nghi ngờ bạn biết nhiều, nếu bạn biết phản ứng.

Dưới đây là một lời giải thích siêu đơn giản về bộ lọc RC hoặc LC:

Đầu tiên, có một thứ gọi là trở kháng. Trở kháng cũng giống như điện trở, ngoại trừ nó phụ thuộc tần số. Một cuộn cảm có điện trở thấp hơn tần số thấp và điện trở cao hơn ở tần số cao hơn. Một nắp được đảo ngược, điện trở cao ở tần số thấp.

Khi bạn tạo bộ lọc, RC hoặc LC, bạn có thể tưởng tượng nó giống như một bộ chia điện áp đơn giản được làm bằng hai điện trở. Nhưng, một trong những điện trở đó thực sự là L hoặc C, do đó "điện trở" của nó sẽ thay đổi theo tần số. Vượt qua toán học, bạn có thể tìm ra tỷ lệ phân chia điện áp "ở các tần số khác nhau.

Tôi sẽ không đi vào toán học, vì có những câu trả lời khác làm điều này tốt hơn tôi có thể. Nhưng đối với sự hiểu biết cấp cao về những gì diễn ra bên trong bộ lọc LC hoặc RC thì điều này sẽ làm.

Nhưng tôi đã tự hỏi nếu điều đó có thể được giải thích về thể chất?

Vâng Tất cả các thành phần RLC có tương đương cơ học, cũng có thể được sử dụng để tạo bộ lọc.

|-\/\/\-•-≡≡≡≡-E

Ví dụ, nếu bạn kết nối một lò xo với một bộ giảm xóc, rồi đột nhiên đẩy đầu lò xo vào bên trong, thì lò xo sẽ ​​nén lại, nhưng đầu kia của lò xo trong bộ giảm xóc sẽ không di chuyển ngay lập tức. Sau đó, phía bên kia sẽ từ từ đẩy vào bộ giảm xóc, cho đến khi mùa xuân trở lại chiều dài ban đầu. Bạn đã áp dụng một chức năng bước cho lò xo, nhưng điểm mà chúng được kết nối chỉ phản ứng với các thành phần tần số thấp của lần đẩy của bạn. Điều này giống như phản hồi bước của bộ lọc thông thấp: