Wenn Sie in die Welt der Stromversorgungen eintauchen, ist das Gespräch über Schaltnetzteile (SMPS) im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren von entscheidender Bedeutung für jeden, der tief in die Welt der Stromversorgung einsteigt oder gerade erst damit anfängt. Wenn es darum geht, wie gut Ihre elektronischen Geräte funktionieren, wie groß sie sind und wie sie funktionieren, ist es wirklich wichtig, sich mit den Besonderheiten der einzelnen Geräte auseinanderzusetzen, einschließlich ihrer besonderen Funktionen, Verwendungszwecke und der Technologie dahinter. Sowohl bei SMPS als auch bei Transformatoren geht es darum, elektrischen Strom in etwas umzuwandeln, das wir tatsächlich nutzen können, aber sie gehen dabei auf sehr unterschiedliche Weise vor. Das bedeutet, dass sie jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Dieser Artikel soll diese Unterschiede hervorheben und Ihnen erklären, warum Sie sich für das eine oder das andere entscheiden sollten. Wenn wir uns mit den Einzelheiten von SMPS im Vergleich zu Transformatoren befassen, ist es für die Auswahl der richtigen Lösung von entscheidender Bedeutung, darüber nachzudenken, wie effizient sie sind, wie viel Platz sie beanspruchen, wie viel sie kosten und wofür Sie sie konkret benötigen dein Projekt.
Was ist
SMPS (Schaltnetzteil)?
Das Funktionsprinzip von SMPS
A Schaltnetzteil (SMPS) stellt eine zentrale Komponente im Bereich der Energieumwandlungstechnologien dar und bietet eine innovative Methode für die Umwandlung von AC-Eingangsspannung (Wechselstrom) in DC-Ausgangsspannung (Gleichstrom) und umgekehrt. Im Mittelpunkt des Betriebs eines SMPS steht eine Reihe elektronischer Schalter, die in schnelle Schwingungen versetzen und so die an den Ausgang übertragene Energiemenge regulieren. Zunächst wird der Wechselstromeingang in Gleichstrom gleichgerichtet. Anschließend wird diese Gleichspannung durch einen Prozess namens Pulsweitenmodulation (PWM) intermittierendem Schalten durch Transistoren bei erhöhten Frequenzen unterzogen. Die resultierende Hochfrequenzspannung wird dann sorgfältig reguliert, gleichgerichtet und gefiltert, um eine stabile DC-Ausgangsspannung zu erzeugen.
Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz von Hochfrequenzschaltungen, da dadurch voluminöse Magnetkomponenten entfallen und das Netzteil dadurch kompakter und leichter wird. Dieses Merkmal stellt eine deutliche Abkehr von herkömmlichen Stromversorgungsmechanismen dar, die die Eingangsspannung kontinuierlich modulieren und dadurch einen erheblichen Energieverlust in Form von Wärme verursachen. Eine solche Ineffizienz erfordert größere Kühlkörper, was die Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit des Systems weiter beeinträchtigt.
Vorteile der Verwendung von SMPS
Die Vorteile eines Schaltnetzteils lassen sich auf einige entscheidende Vorteile reduzieren:
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Gesteigerte Effizienz: Schaltnetzteile (SMPS) beweisen ihre Leistungsfähigkeit mit Effizienzwerten von über 90 % und verringern die Energieverluste erheblich. Diese Eigenschaft ermöglicht erhebliche Einsparungen bei den Stromkosten und reduziert gleichzeitig die thermischen Emissionen.
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Kompaktes und leichtes Design: Aufgrund seines Betriebs bei erhöhten Frequenzen benötigt SMPS winzige magnetische Komponenten, was zu einem deutlich reduzierten Formfaktor und einem geringeren Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen linearen Netzteilen führt.
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Flexibilität: Die Vielseitigkeit von SMPS ist bemerkenswert. Da es verschiedene Eingangsspannungen verarbeiten kann und schnell auf Schwankungen des Strombedarfs reagieren kann, erweist es sich als beispielhafte Lösung für eine Vielzahl elektronischer Geräte und Geräte.
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Reduzierte Thermik Output: Aufgrund der minimierten Umwandlung von Energie in Wärme macht SMPS den Bedarf an umfangreichen Wärmeableitungsmechanismen überflüssig. Diese Eigenschaft trägt zu seiner kompakten Bauweise bei und erhöht seinen Nutzen bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.
Häufige Anwendungen von SMPS
Die SMPS-Technologie wird allgegenwärtig in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, was ihre bemerkenswerte Vielseitigkeit und Wirksamkeit unterstreicht. Zu den vorherrschenden Implementierungen gehören:
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Unterhaltungselektronik (z. B. Fernseher, Computer, Spielekonsolen)
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Tragbare Geräte (z. B. Laptops, Smartphones)
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Industrielle Ausrüstung
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Medizintechnik
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Telekommunikationsgerät
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Power Tools
Jede Anwendung profitiert von der Fähigkeit des SMPS, eine stabile und effiziente Stromumwandlung in einem kompakten Formfaktor bereitzustellen, was es zu einer unverzichtbaren Komponente im modernen Elektronikdesign macht.
Was ist ein Transformator?
Wie Transformatoren funktionieren
Stellen Sie sich einen Transformator als ein Gerät vor, das elektrische Energie von einem Ort zum anderen transportiert, ohne die Frequenz zu beeinträchtigen. Es ist wie eine magische Kiste, in der sich ein paar Spulen oder „Wicklungen“ um ein eisernes Herz schmiegen. Wenn man ihm auf der Primärseite Wechselspannung zuführt, erzeugt er in diesem Eisenherz ein Magnetfeld. Dieser Magnetzauber entfaltet dann seine Wirkung auf der Sekundärseite und erzeugt eine neue Spannung. Wenn Sie mehr oder weniger Spannung benötigen, spielen Sie einfach mit der Anzahl der Schleifen in diesen Spulen herum und machen den Transformator zu Ihrem bevorzugten Werkzeug, um die Spannung entweder zu erhöhen (erhöhen) oder zu verringern (reduzieren). Das Coole ist, wie effizient dieser gesamte Vorgang abläuft, da das Magnetfeld im Kern eng und ordentlich gehalten wird. Dies macht Transformatoren äußerst nützlich, egal ob Sie es mit Geräten zu tun haben, die nur wenig Strom benötigen, oder mit großen Maschinen, die viel Strom benötigen.
Vorteile herkömmlicher Transformatoren
Herkömmliche Transformatoren werden für eine Vielzahl von Vorteilen geschätzt, darunter vor allem:
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Einfachheit und Zuverlässigkeit: Transformatoren zeichnen sich durch das Fehlen mechanischer Komponenten und eine grundlegende Architektur aus und sind lobenswert zuverlässig und weisen eine bemerkenswerte Langlebigkeit auf.
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Erhöhte Effizienz: Diese Geräte führen die Energieübertragung effizient durch und weisen minimale Energieverluste auf – sie eignen sich daher hervorragend für die Bereitstellung von Elektrizität über große Entfernungen.
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Galvanische Isolierung: Transformatoren sorgen für eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang und erhöhen die Sicherheitsmaßnahmen erheblich, indem sie eine direkte elektrische Verbindung überflüssig machen. Diese Funktion ist zur Vermeidung von Stromschlägen und zur Eindämmung von Spannungsspitzen unverzichtbar.
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Anpassungsfähigkeit der Leistungskapazitäten: Transformatoren sind in der Lage, ein breites Spektrum an Leistungskapazitäten zu verwalten und sind vielseitig einsetzbar. Dies reicht von winzigen Transformatoren, die in Verbraucherelektronikgeräte integriert sind, bis hin zu riesigen Einheiten, die in Stromverteilungsnetzen eine zentrale Rolle spielen.
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Verbesserte Sicherheit Maßnahmen: Aufgrund ihrer inhärenten Sicherheitseigenschaften eignen sich Transformatoren hervorragend für den Einsatz in Umgebungen, die strenge Sicherheitsprotokolle erfordern, einschließlich Gesundheitseinrichtungen und Industriestandorten. Dies gewährleistet nicht nur den Schutz empfindlicher Geräte, sondern auch das Wohlbefinden des Personals, das an solchen Orten arbeitet.
Transformer-Anwendungen
Transformatoren sind in zahlreichen Anwendungen von wesentlicher Bedeutung und decken den Strombedarf verschiedener Sektoren effektiv ab:
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Machtverteilung
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Elektrische Isolation
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Medizinische Ausrüstung
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Industriemaschinen
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Audio-Systeme
Hauptunterschiede zwischen SMPS und Transformatoren
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Effizienz: Im Allgemeinen sind SMPS effizienter als Transformatoren. Diese Effizienzsteigerung ergibt sich aus der Funktionsweise von SMPS – sie schalten den Strom mit Transistoren sehr schnell um und reduzieren so die Energieverschwendung. Auf der anderen Seite sind Transformatoren immer noch recht effizient, verlieren aber tendenziell mehr Leistung als Wärme, insbesondere wenn sie sehr stark oder kaum beansprucht werden.
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Größe und Gewicht: SMPS sind aufgrund ihres effizienten Designs, das nicht so viel Platzbedarf für seine Aufgabe benötigt, in der Regel kleiner und leichter. Transformatoren hingegen müssen einen Kern und Spulen haben, was sie größer und schwerer macht.
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Belastbarkeit: Wenn es darum geht, viel Leistung zu bewältigen, ohne an Effizienz einzubüßen, sind Transformatoren die erste Wahl. Sie können schweres Heben bewältigen, ohne ins Schwitzen zu geraten. SMPS sind dieser Aufgabe ebenfalls gewachsen, aber sie benötigen möglicherweise einige Anpassungen, um wirklich hohe Leistungspegel zu bewältigen, was sich auf ihre Größe oder Kosten auswirken könnte.
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Elektromagnetische Interferenz (EMI): SMPS können mehr EMI verursachen, weil sie so schnell ein- und ausschalten. Die gute Nachricht ist jedoch, dass neuere SMPS-Designs diese Störungen immer besser unter Kontrolle halten können. Transformatoren sind im Hinblick auf elektromagnetische Störungen von Natur aus leiser und eignen sich daher besser für Geräte, die extrem leise sein müssen.
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Kosten: Auf den ersten Blick scheinen SMPS teurer zu sein, da sie komplex in Design und Herstellung sind. Aufgrund ihrer Effizienz können Sie jedoch auf lange Sicht Geld bei den Energiekosten sparen. Transformatoren mögen am Anfang günstiger sein, aber mit der Zeit könnten sie teurer werden, weil sie nicht so effizient sind.
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Flexibilität: SMPS sind ziemlich vielseitig – sie können eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsspannungen verarbeiten und Sie können sie nach Bedarf anpassen. Transformer sind in ihrer Art etwas festgelegter; Wenn Sie die Ausgangsspannung ändern möchten, müssen Sie diese physisch ändern.
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Sicherheit und Zuverlässigkeit: Transformatoren gelten als äußerst zuverlässig und sicher, da sie unkompliziert sind und keine beweglichen Teile haben. SMPS können ebenfalls zuverlässig und sicher sein, solange sie gut konstruiert sind, sie verfügen jedoch über komplexere Teile, die möglicherweise ausfallen könnten.
Um diese Unterschiede strukturiert zusammenzufassen, bietet die folgende Tabelle einen direkten Vergleich:
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Merkmal
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SMPS
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Transformator
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Effizienz
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Höher
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Senken
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Größe und Gewicht
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Kleiner und leichter
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Größer und schwerer
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Belastbarkeit
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Geeignet für niedrige bis mittlere Leistung
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Besser für hohe Leistung
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EMI
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Höher (mit Verbesserungen)
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Senken
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Kosten
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Höherer Anfangswert, niedrigerer Betriebswert
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Niedrigerer Anfangswert, höherer Betriebswert
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Flexibilität
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Hoch (einstellbare Leistung)
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Niedrig (feste Ausgabe)
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Sicherheit und Zuverlässigkeit
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Hoch (bei richtigem Design)
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Sehr hoch
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Designüberlegungen und Leistungsmetriken: SMPS vs. Transformator
Im Bereich des Elektronikdesigns wird die Entscheidung, ein SMPS anstelle eines herkömmlichen Transformators zu verwenden, von einer Reihe kritischer Überlegungen bestimmt, die von der erforderlichen Ausgangsspannung bis zu den projektbedingten Dimensionsbeschränkungen reichen. Das SMPS zeichnet sich durch die Verwendung von Schaltreglern aus und stellt eine schlanke, kleine Lösung dar, die sich mit der effizienten Umwandlung von elektrischer Energie in die erforderliche Gleichstrom-Ausgangsspannung auskennt. Diese Eigenschaft macht es äußerst vorteilhaft für Anwendungen, bei denen die räumliche Ökonomisierung von entscheidender Bedeutung ist. Im krassen Gegensatz dazu wandeln herkömmliche Transformatoren, die auf Linearreglern und einem Eisenkern basieren, Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um, was aufgrund der erforderlichen physikalischen Materialien häufig zu größeren Volumendimensionen führt. Die Überlegungen umfassen nun auch die Architektur der Stromversorgungstopologie, wobei das SMPS häufig einen Sperrwandler für Anwendungen einsetzt, die niedrigere Spannungen erfordern, was reduzierte akustische Emissionen und einen höheren Wirkungsgrad über ein ausgedehntes Frequenzspektrum (kHz bis MHz) bietet. Dies steht in deutlichem Gegensatz zum eher rudimentären, wenn auch sperrigeren Designparadigma von Leistungstransformatoren, die trotz ihrer Haltbarkeit und geringeren Anfälligkeit für magnetische Sättigung (Hysterese) häufig nicht in der Lage sind, die Effizienz- und Kompaktheitsvorteile ihrer SMPS-Gegenstücke zu reproduzieren.
Ein Expertenteam in diesem Bereich nutzt eine Reihe von Analyseinstrumenten und Simulationen, um die Leistungskennzahlen dieser Stromversorgungsmechanismen vorherzusagen, wobei Variablen wie Spannungsausgang, der Einbau von Kondensatoren und Induktivitäten zur Abschwächung von Schwankungen und die Widerstandsfähigkeit von Komponenten wie Kupfer sorgfältig berücksichtigt werden Spulen und Dioden. Die Wahl zwischen einem Schalttransformator und einem herkömmlichen Leistungstransformator richtet sich in der Regel nach den spezifischen Anforderungen an eine Gleichstromversorgung, die durch die Anwendung vorgegeben werden, wobei sich das SMPS als die bessere Wahl in Szenarien erweist, die einen höheren Wirkungsgrad, reduzierte Abmessungen und eine geringere Geräuschentwicklung erfordern . Abschließend wird dieser Auswahlprozess durch eine umfassende Bewertung der Leistungsindikatoren jeder Technologie gesteuert, einschließlich ihrer Fähigkeit, die festgelegte Ausgangsspannung zu liefern und gleichzeitig die durch Größe, Masse und Schallleistung auferlegten Einschränkungen einzuhalten, wodurch sichergestellt wird, dass die endgültige Designkonfiguration die Anforderungen erfüllt anspruchsvolle Spezifikationen, die von modernen elektronischen Geräten gefordert werden.
FAQs
Was sind die Hauptunterschiede zwischen SMPS und Transformatoren im Hinblick auf den Wirkungsgrad?
Nehmen wir zum Thema Effizienz ein hypothetisches Beispiel: Ein SMPS kann unter optimalen Bedingungen einen hohen Wirkungsgrad erreichen, der typischerweise zwischen 90 % und 99 % liegt, während der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Transformators bei ähnlichen Leistungsniveaus zwischen 85 und 90 % liegen könnte. Beispielsweise verbraucht ein für einen Laptop konzipiertes SMPS möglicherweise nur etwa 5–10 % der elektrischen Energie als Verlustwärme, während ein Netzteil auf Hochspannungstransformatorbasis aufgrund von Sättigung und Leistungsverlust 10–15 % verlieren könnte. Dieser Unterschied wird bei Anwendungen noch deutlicher, bei denen die Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung ist, beispielsweise bei batteriebetriebenen Geräten, bei denen jedes Prozent Effizienzgewinn zu einer längeren Batterielebensdauer führt.
Können SMPS herkömmliche Transformatoren in allen Anwendungen ersetzen?
Unter Berücksichtigung der Anwendungsspezifität werden SMPS-Einheiten bevorzugt in kompakten, tragbaren Elektronikgeräten wie Smartphones eingesetzt, wo sie die erforderliche Leistung auf kleinem Raum bereitstellen, ohne übermäßige Wärme zu erzeugen. Andererseits sind Transformatoren in Hochleistungsanwendungen wie Stromverteilungsnetzen unverzichtbar, wo Robustheit und Zuverlässigkeit über lange Zeiträume von größter Bedeutung sind. Ein Beispiel sind die in Stromnetzen verwendeten Versorgungstransformatoren, die für die Verarbeitung von Kilowatt bis Megawatt Leistung ausgelegt sind, weit über das hinaus, was für die SMPS-Technologie und herkömmliche Transformatortopologien praktisch ist.
Wie hoch sind die Kosten für SMPS und Transformatoren auf lange Sicht vergleichen?
Die Kosteneffizienz lässt sich durch den Vergleich der Betriebskosten veranschaulichen. Ein SMPS bietet aufgrund seiner höheren Anschaffungskosten möglicherweise einen geringeren Energieverbrauch und damit niedrigere Betriebskosten über einen Zeitraum von 5 Jahren. In einem industriellen Umfeld könnte beispielsweise die Verwendung von SMPS-basierten Netzteilen für Steuerungssysteme zu Energieeinsparungen führen, die den höheren Anschaffungspreis im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren ausgleichen, die zwar im Voraus günstiger sind, aber aufgrund der geringen Leistungseffizienz höhere Stromkosten verursachen Konvertierung.
Was ist besser für Hochfrequenzanwendungen? SMPS oder Transformatoren?
Hochfrequenzanwendungen wie HF-Kommunikationsgeräte bevorzugen SMPS wegen seiner Fähigkeit, unterschiedliche Lasten und Frequenzen effizient zu bewältigen. Ein praktisches Beispiel ist der Einsatz von SMPS in Mobiltelefonen, bei denen sich die Stromversorgung schnell an die sich ändernden Anforderungen des Prozessors und der Funkmodule anpassen muss, ohne Störungen zu erzeugen, die die Kommunikationsfähigkeiten des Telefons beeinträchtigen könnten.
Wie SMPS und Transformatoren in Bezug auf Elektromagnetische Interferenz (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) Kontrolle?
Das Management von EMI und RFI ist für die Funktionalität empfindlicher elektronischer Geräte von größter Bedeutung. Aufgrund des schnellen Ein- und Ausschaltmechanismus von SMPS sind typischerweise zusätzliche Filtermaßnahmen erforderlich, um EMI- und RFI-Emissionen zu dämpfen. Beispielsweise ist im Zusammenhang mit einem medizinischen Gerät wie einem MRT-Scanner die Integration von SMPS, die mit beispielhaften EMI-Filterfunktionen ausgestattet sind, von entscheidender Bedeutung, um jegliche Beeinträchtigung der Wiedergabetreue der erzeugten Bilder zu verhindern. Umgekehrt erzeugen Transformatoren, die bei relativ niedrigeren Frequenzen arbeiten, von Natur aus geringere elektromagnetische Störungen und erweisen sich daher als bevorzugte Option bei Anwendungen, bei denen die Minimierung von Interferenzen unerlässlich ist, beispielsweise bei Audioverstärkern. In solchen Szenarien kann jedes überflüssige Rauschen die Audioqualität erheblich verschlechtern.
Zusammenfassung
