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Der erste Artikel aus der Elektor vom Januar 1987 :

Kondensatoren gibt es in vielen Ausführungen und Qualitäten. Bis vor einigen Jahren gab es kaum Untersuchungen über die Verwend- barkeit der unterschiedlichen Kondensator-Typen insbesondere in Audio-Schaltungen.

Im Moment (1987) herrscht vor allem in High-End-Kreisen eine wahre Kondensator-Manie: Heute scheinen Polypropylen- kondensatoren der Marke X ausgezeichnet zu klingen. Morgen wird ein Typ Y gefunden, der eine feinere Durchzeichnung des Klangbildes ergibt. Was ist eigentlich wahr an diesen Geschichten ?

1. ungepolte (bipolare) und
2. gepolte Aluminium-Elkos (mit flüssigem oder festem Elektrolyten)
3. (bipolare nur mit flüssigem Elektrolyten und rauher Anode),
4. ungepolte und gepolte Tantal-Elkos mit flüssigem Elektrolyten.

Auch hier wieder in der Reihenfolge der Qualität. Allerdings ist die Qualität der bipolaren Elkos stark herstellerabhängig.
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Welche Unterschiede können außerdem meßtechnisch festgestellt werden? Die Herren Jung und Curl haben sich ein dynamisches Meßverfahren ausgedacht, bei dem verschiedene Faktoren in einem Rutsch gemessen werden können, unter anderem der Verlustfaktor und die dielektrische Absorption, zwei wichtige Parameter. Man nimmt bei diesem Verfahren zwei CR-Netz-werke (siehe Bild 1), die von einer niederohmigen Spannungsquelle mit einer Rechteckspannung gefüttert werden.

Die Ausgangssignale der CR-Netzwerke legt man an ein empfindliches Oszilloskop mit Differenzverstärker-Eingang. Dort werden die Signale subtrahiert, so daß das Meßergebnis ein Maß für den Unterschied der Parameter der beiden Netzwerke ist.

Wird also ein CR-Netzwerk (Anmerkung : ein Netzwerk aus Widerständen und Kondensatoren) mit einem Referenzkondensator aufgebaut (Teflon oder Polystyroldielektrikum), dann kann man in das andere CR-Netzwerk einen Testkondensator einsetzen, der mit dem Referenzkondensator verglichen wird. Das Differenzsignal ist gleichzeitig ein Maß für den Unterschied beider Netzwerke.

Der 100-Ohm-Widerstand gleicht den eventuell vorhandenen äquivalenten Reihenwiderstand des Testkondensators aus. Dabei geht man davon aus, daß der äquivalente Serienwiderstand des Referenzkondensators kleiner ist als der Widerstand des Testkondensators.

Das Prüf-Rechtecksignal muß eine sehr niedrige Frequenz haben, damit die Unterschiede gut sichtbar werden. 50 Hz sind ein guter Anhaltspunkt. Mit dieser Testschaltung ist es möglich, die Unterschiede deutlich aufzuzeigen, die wir auch quantifizieren können. Dabei müssen Sie daran denken, daß sich die prozentuale Abweichung auf den Mittelwert der Prüf-Rechteckspan-nung bezieht.

Die Unterschiede bestehen hauptsächlich in einer "Verbiegung" des rechten Teils des Rechtecks und einer abweichenden Sprungantwort.
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Als Referenzkondensator haben wir MKP- und Styroflex-Typen ausprobiert. Dabei gab es kaum Unterschiede. So wurde beschlossen, einen sehr guten MKP-Typ zu verwenden, weil der auch in größeren Werten erhältlich ist.

Hier also die wichtigsten Testergebnisse:

• Alle KP- und MKP-Typen zeigten eine maximale Abweichung von 0,01%. Dieses Ergebnis erzielten auch die Styroflex-Typen und die sogenannten Wondercaps, spezielle Audio-Kondensatoren, die zu märchenhaften Preisen angeboten werden.
• Die auch von uns häufig verwendeten MKT-Kondensatoren landeten auf dem zweiten Platz mit einer mittleren Abweichung von 0,03%. Das gleiche gilt auch für KC- und MC-Typen.
• Auf dem letzten Platz tummeln sich Elkos und Tantal-Elkos mit Abweichungen von 1%. Das hängt stark vom Hersteller ab. Aber kein "Hersteller" kommt unter die 1%-Grenze, auch die bipolaren Elkos nicht.

Das waren die Meß-Ergebnisse (in 1987 !!).
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Nun könnten Sie auf die Idee kommen, Elkos und gute "normale" Kondensatoren parallel zu schalten. Das bringt nichts! Die Parallelschaltung verhält sich (impulsmäßig) wegen der Ladungserhöhung im Dielektrikum nicht besser als der Elko.

Dieses Verfahren verbessert lediglich das HF-Verhalten eines Elkos. Sie werden wohl nun verstehen, daß wir für den Elektro-Bausatz PREAMP (wird hier auch noch vorgestellt) nur Koppelkondensatoren aus der P-, C- und T-Familie verwendet haben.

Sie finden an den Koppelstellen zwei Kondensatoren parallelgeschaltet : einen 10uF-MKT-Typ und einen 4,7uF-MKP-Typ.

Auch das HF-Verhalten dieser Schaltung ist ganz ausgezeichnet. Schließlich ein vielleicht ganz überflüssiger Hinweis: Natürlich können Sie die Kondensatoren (auch in Parallelschaltungen) für Ihren PREAMP verwenden, die Sie für die besten und am besten klingend halten.
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Ein langer ausführlicher Artikel in Elektor 11/91
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Daß die Klangqualität von Audiokomponenten nicht nur von Schaltungstechnik und Eigenschaften der eingesetzten Halbleiter abhängt, sondern auch von Kondensatoren im Signalweg, haben Sie bestimmt schon einmal gehört.

Doch welcher Kondensatortyp und welches Fabrikat für welchen Zweck geeignet ist, war bisher eher Meinungs- und Ansichtssache denn harte Tatsache. Die Antwort von Elektor: fundierte Meßergebnisse und Tips für die Praxis.
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Wer sich einen Verstärker kauft, der interessiert sich unter anderen Aspekten vor allem für dessen Klangeigenschaften. Und das ist auch richtig so. Was zählt, ist schließlich das klangliche Resultat.

Baut man sich so ein Gerät aber selbst, interessiert zunächst einmal, wie man zu einem guten Resultat kommt. Ein Verstärker bespielsweise besteht aus etlichen klangrelevanten Teilen. Neben der schon erwähnten Punkten Schaltungstechnik und Halbleitereigenschaften sind Netzteil, Aufbau, Kabel und Stecker sowie signalführende Kondensatoren für den Klang mitverantwortlich.

Gerade den Kondensatoren wird häufig zu wenig Aufmerksamkeit gewidmet. Dabei sind sie in jedem Gerät zu finden, das etwas mit Tonübertragung zu tun hat - vom CD-Spieler bis zur Lautsprecherbox.
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Im High-End-Bereich gibt es unterschiedliche Reaktionen auf diese Problematik. Während einige auf ganz bestimmte Kondensatoren schwören, ohne dies objektiv (meßtechnisch) begründen zu können, sind andere Hersteller dazu übergegangen, Kondensatoren aus möglichst allen signalführenden Verbindungen zu entfernen.

Doch diese Strategie (DC-Technik) hat nicht nur ihre Schattenseiten, sondern bei bestimmten Aufgaben, wie bei Filtern und Frequenzweichen, ein jähes und prinzipbedingtes Ende.

Man muß also mit Kondensatoren leben und es bleibt letztlich nur, sich die geeigneten Typen für die jeweilige Aufgabe auszusuchen. Wenn man weiß wie, kann man mit diesem Wissen nicht nur gute Verstärker bauen, sondern auch industriell gefertigte Geräte klanglich optimieren.

Doch mit diesem Wissen steht es bisher nicht zum Besten. Leider existieren kaum meßtechnisch fundierte Untersuchungen, dafür aber umso mehr subjektive Meinungen und fragwürdige Faustregeln.

Die Kondensatorproblematik ist auch im Elektor-Labor schon eine geraume Zeit Stoff für Diskussionen und Überlegungen. Daraus resultierte schließlich die Suche nach harten Fakten in umfangreichen Meßreihen.

So wurde bereits im Rahmen des 1987 erschienenen Beitrags "The Preamp" die Auswahl von Kondensatoren eingehend erörtert. Im kürzlich erschienenen Sonderheft Elektor Plus 13 ("HiFi-Boxen") findet sich eine auf Frequenzweichen ausgerichtete ausführliche Untersuchung von Kondensatoren.

Davon ausgehend haben wir in weiteren Messungen speziell die Eigenschaften von Kondensatoren in Audio-Schaltungen untersucht. Hier also die neuesten Ergebnisse des Elektor-Labors zum Thema Audio-Kondensatoren :

Der prinzipielle Aufbau eines Kondensators ist wohl bekannt: zwei leitende und voneinander isolierte Flächen. Die Kapazität wird einerseits vom mechanischen Aufbau, der Fläche der Kondensatorplatten und Dicke der Isolationsschicht (des Dielektrikums) und andererseits von den Eigenschaften des Isolationsmaterials (Dielektrizitätskonstante) bestimmt:

wobei (C = Kapazität in Farad, er = relative Dielektrizitätskonstante, A = Plattenoberfläche in m2, d = Abstand der Platten in m)

Das Isolationsmaterial hat also direkten Einfluß auf die Kapazität. Die Dielektrizitätskonstante von Polyester beträgt beispielweise ca. 3, die von Tantaloxid ca. 11. Die Dicke und die Isolationseigenschaften des Dielektrikums bestimmen die Spannungsfestigkeit des Kondensators. Deshalb hat ein Kondensator für höhere Spannungen bei gleicher Kapazität und gleichem Dielektrikum stets größere Abmessungen als die Niedervoltvariante.

Was den Kondensator aber als Bauteil interessant macht, ist sein frequenzabhängiges Impedanzverhalten. Der kapazitive Widerstand hängt umgekehrt proportional von der Frequenz ab:

Der Impedanzverlauf eines Kondensators in Abhängigkeit von der Frequenz entspricht bei (doppelt) logarithmischer Skala einer fallenden Geraden. Theoretisch müßte diese Gerade bis auf 0 Ohm abfallen - praktisch bleibt natürlich auch bei hohen Frequenzen eine (kleine) Impedanz übrig.

In dem Frequenzbereich, bei dem der Kondensator niederohmig wird (wenige Ohm), beginnt auch das Eigenleben eines Kondensators. Da ein realer Kondensator aus realen Materialen gebaut ist, hat er zumindest noch einen ohmschen Widerstand, der auf den stromleitenden Eigenschaften und den Abmessungen der Anschlußdrähte und der Platten beruht.

Kleiner als dieser ohmsche Widerstand kann die Impedanz schon mal nicht werden. Außerdem hat das reale Isolationsmaterial noch etliche störende Phänomene an sich.

Das erste ist ein kleiner Leckstrom, der sich vor allen Dingen bei höheren Spannungen und besonders bei Elkos bemerkbar macht. Dazu kommt dann noch als nicht zu vernachlässigendes Element eine Selbstinduktion, bedingt durch den Aufbau und die Induktivität der Anschlußdrähte.
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Für die Praxis wichtig ist, welche Angaben aus Datenblättern relevant sind und wie sie zu interpretieren sind. Zu diesem Zweck folgt nun eine kleine Aufstellung, aus der man ersehen kann, worauf geachtet werden sollte:
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• Der tan delta (δ) oder Verlustfaktor D gibt die Verluste an, die von Rs verursacht werden. Er sollte möglichst klein sein. Je mehr Nullen hinter dem Komma, desto besser. Besonder bei Kondensatoren für passive Frequenzweichen ist wegen der niedrigen Lautsprecherimpedanzen auf diesen Punkt zu achten. In elektronischen Schaltungen, bei denen ein Kondensator mit Widerständen im kQ-Bereich kombiniert wird, ist er weniger relevant. Zu beachten ist noch, daß dieser Wert frequenzabhängig ist (delta (δ) = D = 1/Q = 2pifCRs). Bei großen Elkos wird Rs oft auch getrennt angegeben.
• In selteneren Fällen hat der Hersteller auch noch den Wert der DA angegeben. Auch hier gilt: je kleiner, desto besser. Die DA wird - wenn überhaupt - bei Folienkondensatoren aufgeführt.
• Der Isolationswiderstand Rp ist normalerweise sehr groß (Bereich 10 hoch 3 MOhm). Für Audiozwecke spielt er kaum eine Rolle.
• Der Leistungsfaktor, englisch Power Factor PF, hat wieder etwas mit Rs zu tun (PF = sin delta (δ) = Rs/Z).
• Das Temperaturverhalten wird meistens global für ein bestimmtes Dielektrikum angegeben. Bild 3 stellt diesen Zusammenhang für mehrere Materialien dar.
• Die Kapazitätsangaben beziehen sich außer bei HF-Typen meistens auf eine Frequenz von 1 kHz. Die Toleranz der Kapazität ist für Filter, Frequenzweichen, und Oszillatoren, weniger jedoch für Koppelkondensatoren von Bedeutung.
• Zur Spannungsfestigkeit läßt sich lediglich sagen, daß dieser Wert sowohl für Wechsel- als auch für Gleichspannung angegeben werden kann. Selbstverständlich sollte die nominale Spannung des Kondensators immer absolut höher als die höchste auftretende Spannung sein.

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Papierkondensatoren sind eigentlich nur von historischem Wert. In Lautsprecherboxen sowjetischer Herkunft sollen heute noch welche zu finden sein. Im Westen allerdings sind sie kaum noch zu bekommen. Die Qualität von Papierkondensatoren kann allerdings recht gut sein.

Elkos (die mit viel Kapazität im Alubecher) sind audiomäßig eher zweite Wahl. Ihre Toleranzen sind verhältnismäßig riesig, doch sind sie preiswert (viele uF/DM) und deshalb vor allem in passiven Frequenzweichen für Lautsprecherboxen recht häufig zu finden, da man dort große Kapazitäten braucht. Man kommt auch in Netzteilen von Audiogeräten nicht ohne sie aus.

Bauartbedingt gibt es drei Typen: "rauhe", "glatte" und Tantal-Elkos. Ob rauh oder glatt spielt für deren Klangeigenschaften nicht unbedingt eine Rolle. Glatte Elkos haben zunächst einmal lediglich geringere Kapazitätstoleranzen, aber auch geringere Kapazitäten.
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Tantalkondensatoren sollten wegen diverser halbleiterartiger Effekte besser nicht mit Tonsignalen in Berührung kommen.
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Bleiben noch die Folienkondensatoren, die sich nach dem verwendeten Dielektrikum - einer metallbedampften hauchdünnen Kunststoffolie - unterscheiden lassen:
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• Polyesterkondensatoren (Mylarfolie) bzw. solche aus Polyäthylenterephtalat (MKT) sind sicher die gebräuchlichsten Folienkondensatoren. Sie sind preiswert und ausgewogen in den Eigenschaften, ihre Abmessungen halten sich noch in vernünftigen Grenzen.
• Polykarbonatkondensatoren (MKC) sind nicht so häufig anzutreffen. Sie haben etwas bessere Eigenschaften als Polyestertypen - vor allem was den Temperaturgang betrifft.
• Polypropylen (MKP) ist nochmals etwas besser als Polykarbonat, die Abmessungen sind aber wesentlich größer als bei den zuvor genannten Folienkondensatoren.
• Polystyrolkondensatoren (Styroflex, MKS) sind die mit den besten Audioeigenschaften. Allerdings sind sie recht groß im Verhältnis zur Kapazität und kaum in größeren Kapazitätswerten als 470 nF zu bekommen.

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Damit Sie auch sehen können, daß auf die vorliegenden Meßergebnisse Verlaß ist: die Messungen wurden sämtlich mit unserem eigenen Audio-Analyzer vom Typ Audio Precision System One und einem genauen LCR-Meter vom Typ HP4284A durchgeführt (letzteres wurde uns für diesen Zweck freundlicherweise von Hewlett Packard zur Verfügung gestellt). Beide Geräte sind so ziemlich das Beste, das für Audiomessungen zu haben ist.

Soweit möglich wurden die Messungen an den verschiedenen Kondensatortypen bei gleicher Kapazität von 2,2 uF vorgenommen. Es wurden, schon um Ausreißer auszusortieren, selbstverständlich jeweils mehrere Exemplare untersucht. Die Ergebnisse beziehen sich auf die jeweils besten Exemplare. Die Reihenfolge der Kondensatoren ist alphabetisch. Von links nach rechts finden Sie :

1. die effektive Kapazität C bei 1 kHz,
2. den Verlustfaktor tan delta bei 100 Hz, 1 kHz und 10 kHz,
3. die harmonischen Verzerrungen bei 250 Hz in der Schaltung eines Hochpasses mit einem Abschlußwiderstand von 100 Ohm,
4. die dielektrische Absorption, welche durch folgendes Verfahren gemessen wurde: der Kondensator wurde fünf Minuten mit einer Gleichspannung von 1,5 V geladen, danach für drei Sekunden kurzgeschlossen und anschließend mit einem Voltmeter (Ri = 50 MOhm) die Restspannung ermittelt. Dieses Verfahren weicht zwar von der "offiziellen" Meßvorschrift nach MIL-C-19978-D ab, gibt aber unserer Meinung nach einen besseren Aufschluß über das Verhältnis von RDA zu CDA.

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Tabelle 1. Die wichtigsten Resultate der Messungen an einer Reihe von Kondensatoren verschiedener Marken.
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..... , daß die Unterschiede zwischen verschiedenen Fabrikaten mit dem gleichen Dielektrikum gering sind. Es sind also Zweifel angebracht, ob ein teurer Kondensator wirklich besser als ein billiger der gleichen Klasse ist.

Außerdem sind sich etliche Fabrikate verdächtig ähnlich - sowohl äußerlich als auch meßtechnisch. Vermutlich gibt es doch weniger tatsächliche Hersteller, als Firmen existieren, die lediglich ihren Namen aufstempeln (lassen).
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Unabhängig vom Preis waren bei einigen Marken doch Ausreißer mit deutlich schlechteren Resultaten zu finden. Ohne aufwendigen Meßpark (siehe oben) läßt sich das leider nur schlecht kontrollieren und so bleibt einem in der Regel nur die Hoffnung, die guten Exemplare zu erwischen.

Mit der dielektrischen Absorption liegt es vor allen Dingen bei den Elkos (wohl prinzipbedingt) im argen. Höchstwahrscheinlich ist das auch der Grund für deren schlechten Klang. An den harmonischen Verzerrungen zumindest läßt sich das nicht direkt ablesen. DA und THD stehen nämlich in keinem unmittelbaren Verhältnis zueinander.

Die großen Kapazitätswerte stammen eher von etwas exotischeren Firmen, die sich im Bereich des Lautsprecher-Selbstbaus tummeln.

Die großen Kondensatorhersteller haben diese Werte nämlich nur selten im Programm, stellen sie aber dennoch her - und zwar im Auftrag dieser kleinen Firmen. Die vermarkten diese Kondensatoren dann unter eigenem Namen. Einige der kleinen Firmen stellen aber auch speziell diese Kondensatoren her. Einen 10uF-Folienkondensator als Ausgangskondensator für den CD-Spieler anstelle des üblichen Elkos (!) bekommt man daher am ehesten bei solch einem Spezialhersteller.

Die Induktivität der getesteten Kondensatoren war generell vernachlässigbar klein (< 50 nH bei den 2,2uF-Typen, der größte Teil geht wohl aufs Konto der Anschlußdrähte) und ist deshalb in der Tabelle gar nicht erst aufgeführt.
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• Auf den ersten Platz kommen die MKP-Typen (Polypropylen) mit recht geringen Unterschieden innerhalb der Gruppe.
• Auf dem zweiten Platz landen die MKT-Typen (Polyäthylenterephtalat) mit ebenfalls geringer Streuung.
• Dazwischen befinden sich noch noch die Spezialtypen Polycarbonatkondensator (MKC, deutlich bessere Werte als die MKT-Gruppe, aber kaum zu bekommen) und Wondercap (verdient eigentlich die Disqualifikation - nicht wegen schlechter Werte, sondern wegen des hohen Preises von über 40.- DM für das getestete Exemplar).
• Der Wondercap ist wegen der hohen Spannungsfestigkeit am ehesten noch für Röhren Verstärker interessant (bei denen es auf ein paar Mark auch nicht so ankommt ...).
• Wie zu erwarten bilden die Elkos das Schlußlicht. Deren Qualität ist stark abhängig von Marke und Typ. Die glatte Ausführung ist nicht unbedingt besser, aber sicher teurer als die rauhe.

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Eigentlich könnte an dieser Stelle Schluß sein, oder? Natürlich nicht! Denn ein guter Kondensator alleine genügt nicht. Man sollte auch noch wissen, wie und wo er vernünftig eingesetzt wird.
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Bei hohen Qualitätsansprüchen gilt folgende Faustregel: alles muß aus dem Signalweg raus, das nicht unbedingt notwendig ist.

Dabei muß man aber doppelt hinschauen. Bauteile in der Gegenkopplung eines Verstärkers oder Opamps beispielsweise haben natürlich auch einen Einfluß auf die Signalqualität, auch wenn man sie im Signalweg nicht direkt sieht.

Beim Netzteil spielen zwar andere Faktoren eine Rolle, aber dennoch ist es sinnvoll, die Elkos mit einem Folienkondensator in der Größenordnung 470nF bis 1uF zu überbrücken, um deren Hochfrequenzverhalten zu verbessern.

Ein kleinerer Wert (z.B. 100nF, wie häufig zu sehen) lohnt eigentlich nicht, da der Effekt zu gering ist.
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Die Grenzfrequenz sollte man beim Koppelkondensator (z.B. am Eingang eines Verstärkers) lieber auf 1 Hz statt auf frequenzgangmäßig ausreichende 10 Hz dimensionieren.

Der Bereich, der dann noch vorhandenen Verzerrungen liegt so auf jeden Fall außerhalb des Audiofrequenzbereichs.

Dabei gilt es jedoch zu beachten, daß das Ersetzen etwa eines 2,2uF- Elkos durch ein Exemplar mit 100uF nicht unbedingt sinnvoll ist.

Zwar liegt dann ebenfalls der Großteil der Verzerrungen bei tiefen Frequenzen, aber Elkos haben bei größeren Kapazitäten insgesamt mehr Verzerrungen.
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Die unterschiedlichen Ergebnisse finden sich in Bild 7 und Bild 8.
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Leider läßt sich dieses Motto nicht überall in die Tat umsetzen. Falls Sie nun noch weitergehendes Interesse an Kondensatorfragen -speziell für Frequenzweichen - haben, sei Ihnen das bereite erwähnte Sonderheft Plus 13 "HiFiBoxen" zur ergänzenden Lektüre empfohlen.

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