Filtros Pasa-Bajas: Principios, Diseños y Aplicaciones Prácticas

Un filtro pasa-bajas permite selectivamente el paso de señales de baja frecuencia mientras atenúa las frecuencias más altas. Dos implementaciones fundamentales —inductiva y capacitiva— forman la base de la mayoría de los circuitos de filtrado pasivo.

Filtro Pasa-Bajas Inductivo

La impedancia del inductor aumenta con la frecuencia, presentando una alta impedancia en serie que bloquea los componentes de alta frecuencia para que no lleguen a la carga. Una simulación SPICE ilustra este comportamiento:

filtro pasa-bajas inductivo v1 1 0 ac 1 sin l1 1 2 3 rload 2 0 1k .ac lin 20 1 200 .plot ac v(2) .end

Filtro Pasa-Bajas Capacitivo

La impedancia del capacitor disminuye con la frecuencia; cuando se coloca en paralelo con la carga, cortocircuita las señales de alta frecuencia, reduciendo el voltaje a través del resistor en serie R1. Una simulación SPICE lo demuestra:

filtro pasa-bajas capacitivo v1 1 0 ac 1 sin r1 1 2 500 c1 2 0 7u rload 2 0 1k .ac lin 20 30 150 .plot ac v(2) .end

Aunque el filtro inductivo requiere solo un componente, la versión capacitiva añade un resistor pero ofrece mayor previsibilidad. Los capacitores son elementos reactivos casi ideales, exhiben una disipación resistiva mínima y se acoplan menos con circuitos vecinos. Estas características los convierten en la opción preferida para la mayoría de aplicaciones de procesamiento de señales.

En el filtrado de fuentes de alimentación, los inductores suelen elegirse porque pueden proporcionar baja resistencia de salida sin añadir resistencia en serie —crítico para mantener una salida DC limpia. Por el contrario, los filtros capacitivos son preferidos cuando el peso, tamaño y coste son prioritarios, y se puede tolerar una pequeña resistencia en serie.

Frecuencia de Corte

Todos los filtros pasa-bajas se caracterizan por una frecuencia de corte (f_c) —el punto donde el voltaje de salida cae al 70,7 % del de entrada. Para un filtro RC pasa-bajas simple, esto viene dado por la conocida fórmula:

Usando los valores de la simulación anterior (R = 500 Ω, C = 7 µF), f_c se calcula en 45,473 Hz. Sin embargo, la presencia de la carga de 1 kΩ desplaza la respuesta práctica, subrayando la importancia de tener en cuenta la impedancia de carga en diseños reales.

Eliminando la carga en una nueva simulación SPICE se restaura el punto esperado del 70,7 % a 45,473 Hz:

filtro pasa-bajas capacitivo v1 1 0 ac 1 sin r1 1 2 500 c1 2 0 7u * sin resistor de carga .ac lin 20 40 50 .plot ac v(2) .end

Aplicación de los Filtros Pasa-Bajas

Los filtros pasa-bajas son indispensables para suprimir ruido de alta frecuencia en circuitos sensibles. Por ejemplo, la capacitancia parásita y la inductancia mutua pueden acoplar ruido de CA a una línea de alimentación DC, degradando el rendimiento:

Colocando un filtro pasa-bajas —o, más comúnmente, un capacitor de desacoplo— directamente a través de la carga, los componentes de alta frecuencia se cortocircuitan, preservando un voltaje DC limpio. Los capacitores de desacoplo típicamente van desde 0,1 µF en adelante, equilibrando valor de capacitancia, tamaño y coste.

Resumen

• Un filtro pasa-bajas permite señales de baja frecuencia mientras atenúa las más altas.
• Los filtros inductivos usan un inductor en serie; los capacitivos usan un resistor en serie y un capacitor en derivación.
• La frecuencia de corte es donde la salida iguala al 70,7 % de la entrada; por encima de esta, la atenuación aumenta.

Hojas de Trabajo Relacionadas

• Hoja de Trabajo de Filtros Activos
• Hoja de Trabajo de Circuitos de Filtros Pasivos