全波整流器（Full Wave Rectifier）是將交流電壓的正半周與負半周全部轉(zhuǎn)換為脈動直流的功率電子電路。與只利用半個周期能量的半波整流相比，全波整流能夠顯著提高輸出平均直流電壓，減少紋波，并提升電源整體效率，因此被廣泛用于各種 AC-DC 電源系統(tǒng)。

本文將系統(tǒng)地闡述全波整流的兩種典型結(jié)構(gòu)：
1）中心抽頭全波整流
2）橋式全波整流

并結(jié)合波形、公式、電容濾波、電容值對紋波的影響、功率器件特性等進行完整說明。

1. 全波整流的總體優(yōu)勢

在半波整流中，輸出只在正半周期出現(xiàn)，而在負半周為零，導致：

• 平均輸出電壓低

• 輸出來脈動性強

• 紋波大

• 能量利用率僅 50%

全波整流通過“雙向?qū)щ姟蜗蜉敵觥钡姆绞剑关撦d在每個周期的兩個半周期都獲得能量。因此具有以下優(yōu)勢：

• 平均 DC 輸出電壓更高

• 紋波幅度顯著減小

• 輸出波形更平滑

• 對后級濾波要求較低

• 效率幾乎達到 100%（相對于半波）

為了實現(xiàn)這種“雙半周利用”，全波整流典型有兩種結(jié)構(gòu)：

1. 使用兩個二極管與中心抽頭變壓器

2. 使用四個二極管構(gòu)成橋式整流

以下分別展開。

2. 中心抽頭全波整流（Two-diode Full Wave Rectifier）

中心抽頭結(jié)構(gòu)由：

• 帶中心抽頭的次級變壓器

• 兩個功率二極管（D1、D2）

• 單負載電阻 RL

變壓器次級分為兩段繞組，電壓幅度完全相同，以中心點 C 為公共參考點。

2.1 工作過程：兩個半周期交替導通

（1）正半周期：A 相對 C 為正電位

• D1 正向偏置 → 導通

• D2 反向偏置 → 截止

• 電流方向：A → D1 → 負載 R → C

（2）負半周期：B 相對 C 為正電位

• D2 正向偏置 → 導通

• D1 截止

• 電流方向：B → D2 → 負載 R → C

無論交變電壓如何變化，負載電流方向始終一致。

這就是“全波整流的單向輸出”的核心。

3. 中心抽頭全波整流的輸出波形與平均 DC 電壓

由于每個半周期都提供能量，輸出波形密度是半波整流的兩倍。

平均輸出電壓（假設無壓降損耗）：

VDC = 0.637 * VMAX

其中：

• VMAX = 單個次級繞組的峰值電壓

• 0.637 = 2 / pi 的工程常數(shù)

次級 RMS 電壓與峰值關(guān)系：

VRMS = 0.7071 * VMAX

平均直流電流：

IDC = VDC / R

輸出峰值電壓說明

中心抽頭結(jié)構(gòu)中，每次導電的繞組只有一半次級參與，因此峰值電壓由“單個繞組的 VMAX”決定。

要改變 DC 輸出電壓，只需改變變壓器次級的匝比即可。

4. 中心抽頭結(jié)構(gòu)的工程缺點

雖然性能優(yōu)良，但有重要工程劣勢：

1. 需要中心抽頭變壓器、成本高

2. 兩段繞組必須完全對稱，否則輸出不平衡

3. 變壓器尺寸大（兩套繞組）

因此，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，中心抽頭結(jié)構(gòu)使用顯著減少，橋式整流成為主流方案。

5. 橋式全波整流（Full Wave Bridge Rectifier）

橋式整流使用 4 個二極管（D1-D4）構(gòu)成閉環(huán)橋路，無需中心抽頭變壓器，是工業(yè)、消費電子等 AC-DC 轉(zhuǎn)換的標準結(jié)構(gòu)。

單繞組變壓器即可工作，大幅降低成本與體積。

5.1 四二極管橋路的工作機理

正半周期（D1、D2 導通）：

AC 正端 → D1 → 負載 → D2 → AC 負端

負半周期（D3、D4 導通）：

AC 負端 → D3 → 負載 → D4 → AC 正端

關(guān)鍵點：

• 每個半周期由“對角位置的兩只二極管”導通

• 負載電流方向始終一致

這與中心抽頭方案的效果完全相同，只是結(jié)構(gòu)不同。

6. 橋式整流輸出電壓特性

橋式整流的平均 DC 電壓（理想）：

VDC = 0.637 * VMAX

但實際輸出會因兩個二極管串聯(lián)導通而降低：

Vpeak_output = VMAX - 2 * Vdiode

硅二極管典型壓降：

2 * 0.7V = 1.4V

紋波頻率

橋式整流的輸出紋波頻率為：

fripple = 2 * fac

舉例：50Hz 電網(wǎng) → 100Hz 紋波

7. 橋式整流的工程優(yōu)勢

• 無需中心抽頭變壓器

• 變壓器體積更小、成本更低

• 可購買成品橋堆模塊（便于 PCB 使用）

• 能承受較大電流（不同封裝可達數(shù)十安培）

• 在中低壓電源適配器中廣泛采用

橋式整流是目前 AC/DC 轉(zhuǎn)換中最普及的結(jié)構(gòu)。

8. 全波整流 + 電容濾波：紋波與儲能分析

全波整流盡管比半波更平滑，但輸出仍為脈動直流。為獲得更穩(wěn)定的 DC，需要加“儲能電容”（Smoothing/Reservoir Capacitor）。

8.1 電容的工作原理

電容在波形峰值充電，在兩個峰之間向負載放電，其放電速度由 RC 時間常數(shù)決定：

tau = R * C

C 越大 → 紋波越小
負載越大（R 越小） → 紋波越大

9. 例：5uF 與 50uF 的電壓波形對比

使用 5uF 電容

• 電容被充到峰值

• 由于 C 較小，放電速度快

• 電壓可跌至約 3.6V（示例值）

• 波形紋波較大

使用 50uF 電容

• 儲能能力顯著提升

• 放電速度降低

• 最低電壓提高到約 7.9V（示例值）

• 紋波明顯減弱

結(jié)論：電容值越大，輸出越接近純 DC。

10. 工程中電容選擇的兩項關(guān)鍵指標

（1）耐壓（Working Voltage）
必須大于整流器輸出的峰值：

WV > Vpeak_output

（2）電容量（Capacitance Value）
決定紋波幅度，應根據(jù)負載電流選擇。一般 DC 電源常用：

100uF ～ 數(shù)千 uF

紋波設計目標一般：

Vripple_pp < 100mV

11. 全波橋式整流的紋波電壓計算（純文本公式）

工程常用的紋波近似公式：

Vripple = I / (2 * f * C)

其中：

• I = 負載 DC 電流

• f = 輸入 AC 頻率（紋波頻率為 2 * f）

• C = 電容值（F）

適用于大多數(shù)線性電源的初步紋波估算。

12. 進一步改進：π 濾波器與穩(wěn)壓器

（1）π 型濾波器（C-L-C）

• 第一電容濾高頻成分

• 電感提供高交流阻抗

• 第二電容進一步平滑

能顯著降低紋波，是老式線性電源常用方案。

（2）三端穩(wěn)壓器（LM78xx、LM79xx）

• 內(nèi)置電壓基準

• 能將紋波衰減 70 dB 以上

• 基本輸出電流可達 1A 以上

在現(xiàn)代電子設備中更為實用。

總結(jié)

本文完整重構(gòu)了原文所有內(nèi)容，包括：

• 中心抽頭全波整流的結(jié)構(gòu)、工作過程與輸出電壓公式

• 橋式整流的結(jié)構(gòu)、工作原理與二極管壓降

• 輸出平均電壓、峰值電壓關(guān)系

• 紋波頻率分析

• 大量電容濾波示例（5uF、50uF）

• RC 時間常數(shù)

• 紋波公式 Vripple = I / (2fC)

• π 濾波與三端穩(wěn)壓器的工程應用