全波整流器（Full Wave Rectifier）是将交流电压的正半周与负半周全部转换为脉动直流的功率电子电路。与只利用半个周期能量的半波整流相比，全波整流能够显著提高输出平均直流电压，减少纹波，并提升电源整体效率，因此被广泛用于各种 AC-DC 电源系统。

本文将系统地阐述全波整流的两种典型结构：
1）中心抽头全波整流
2）桥式全波整流

并结合波形、公式、电容滤波、电容值对纹波的影响、功率器件特性等进行完整说明。

1. 全波整流的总体优势

在半波整流中，输出只在正半周期出现，而在负半周为零，导致：

• 平均输出电压低

• 输出来脉动性强

• 纹波大

• 能量利用率仅 50%

全波整流通过“双向导电、单向输出”的方式，使负载在每个周期的两个半周期都获得能量。因此具有以下优势：

• 平均 DC 输出电压更高

• 纹波幅度显著减小

• 输出波形更平滑

• 对后级滤波要求较低

• 效率几乎达到 100%（相对于半波）

为了实现这种“双半周利用”，全波整流典型有两种结构：

1. 使用两个二极管与中心抽头变压器

2. 使用四个二极管构成桥式整流

以下分别展开。

2. 中心抽头全波整流（Two-diode Full Wave Rectifier）

中心抽头结构由：

• 带中心抽头的次级变压器

• 两个功率二极管（D1、D2）

• 单负载电阻 RL

变压器次级分为两段绕组，电压幅度完全相同，以中心点 C 为公共参考点。

2.1 工作过程：两个半周期交替导通

（1）正半周期：A 相对 C 为正电位

• D1 正向偏置 → 导通

• D2 反向偏置 → 截止

• 电流方向：A → D1 → 负载 R → C

（2）负半周期：B 相对 C 为正电位

• D2 正向偏置 → 导通

• D1 截止

• 电流方向：B → D2 → 负载 R → C

无论交变电压如何变化，负载电流方向始终一致。

这就是“全波整流的单向输出”的核心。

3. 中心抽头全波整流的输出波形与平均 DC 电压

由于每个半周期都提供能量，输出波形密度是半波整流的两倍。

平均输出电压（假设无压降损耗）：

VDC = 0.637 * VMAX

其中：

• VMAX = 单个次级绕组的峰值电压

• 0.637 = 2 / pi 的工程常数

次级 RMS 电压与峰值关系：

VRMS = 0.7071 * VMAX

平均直流电流：

IDC = VDC / R

输出峰值电压说明

中心抽头结构中，每次导电的绕组只有一半次级参与，因此峰值电压由“单个绕组的 VMAX”决定。

要改变 DC 输出电压，只需改变变压器次级的匝比即可。

4. 中心抽头结构的工程缺点

虽然性能优良，但有重要工程劣势：

1. 需要中心抽头变压器、成本高

2. 两段绕组必须完全对称，否则输出不平衡

3. 变压器尺寸大（两套绕组）

因此，在现代电子产品中，中心抽头结构使用显著减少，桥式整流成为主流方案。

5. 桥式全波整流（Full Wave Bridge Rectifier）

桥式整流使用 4 个二极管（D1-D4）构成闭环桥路，无需中心抽头变压器，是工业、消费电子等 AC-DC 转换的标准结构。

单绕组变压器即可工作，大幅降低成本与体积。

5.1 四二极管桥路的工作机理

正半周期（D1、D2 导通）：

AC 正端 → D1 → 负载 → D2 → AC 负端

负半周期（D3、D4 导通）：

AC 负端 → D3 → 负载 → D4 → AC 正端

关键点：

• 每个半周期由“对角位置的两只二极管”导通

• 负载电流方向始终一致

这与中心抽头方案的效果完全相同，只是结构不同。

6. 桥式整流输出电压特性

桥式整流的平均 DC 电压（理想）：

VDC = 0.637 * VMAX

但实际输出会因两个二极管串联导通而降低：

Vpeak_output = VMAX - 2 * Vdiode

硅二极管典型压降：

2 * 0.7V = 1.4V

纹波频率

桥式整流的输出纹波频率为：

fripple = 2 * fac

举例：50Hz 电网 → 100Hz 纹波

7. 桥式整流的工程优势

• 无需中心抽头变压器

• 变压器体积更小、成本更低

• 可购买成品桥堆模块（便于 PCB 使用）

• 能承受较大电流（不同封装可达数十安培）

• 在中低压电源适配器中广泛采用

桥式整流是目前 AC/DC 转换中最普及的结构。

8. 全波整流 + 电容滤波：纹波与储能分析

全波整流尽管比半波更平滑，但输出仍为脉动直流。为获得更稳定的 DC，需要加“储能电容”（Smoothing/Reservoir Capacitor）。

8.1 电容的工作原理

电容在波形峰值充电，在两个峰之间向负载放电，其放电速度由 RC 时间常数决定：

tau = R * C

C 越大 → 纹波越小
负载越大（R 越小） → 纹波越大

9. 例：5uF 与 50uF 的电压波形对比

使用 5uF 电容

• 电容被充到峰值

• 由于 C 较小，放电速度快

• 电压可跌至约 3.6V（示例值）

• 波形纹波较大

使用 50uF 电容

• 储能能力显著提升

• 放电速度降低

• 最低电压提高到约 7.9V（示例值）

• 纹波明显减弱

结论：电容值越大，输出越接近纯 DC。

10. 工程中电容选择的两项关键指标

（1）耐压（Working Voltage）
必须大于整流器输出的峰值：

WV > Vpeak_output

（2）电容量（Capacitance Value）
决定纹波幅度，应根据负载电流选择。一般 DC 电源常用：

100uF ～ 数千 uF

纹波设计目标一般：

Vripple_pp < 100mV

11. 全波桥式整流的纹波电压计算（纯文本公式）

工程常用的纹波近似公式：

Vripple = I / (2 * f * C)

其中：

• I = 负载 DC 电流

• f = 输入 AC 频率（纹波频率为 2 * f）

• C = 电容值（F）

适用于大多数线性电源的初步纹波估算。

12. 进一步改进：π 滤波器与稳压器

（1）π 型滤波器（C-L-C）

• 第一电容滤高频成分

• 电感提供高交流阻抗

• 第二电容进一步平滑

能显著降低纹波，是老式线性电源常用方案。

（2）三端稳压器（LM78xx、LM79xx）

• 内置电压基准

• 能将纹波衰减 70 dB 以上

• 基本输出电流可达 1A 以上

在现代电子设备中更为实用。

总结

本文完整重构了原文所有内容，包括：

• 中心抽头全波整流的结构、工作过程与输出电压公式

• 桥式整流的结构、工作原理与二极管压降

• 输出平均电压、峰值电压关系

• 纹波频率分析

• 大量电容滤波示例（5uF、50uF）

• RC 时间常数

• 纹波公式 Vripple = I / (2fC)

• π 滤波与三端稳压器的工程应用