In vielen Beleuchtungsprojekten stehen optische Parameter oft im Mittelpunkt von Design, Auswahl und Bewertung, wie Lichtwirkung, Lichtverteilung, UGR und Farbrendering-Index. Tatsächlich deuten Probleme wie unzureichende Helligkeit am Ende des LED-Streifens, instabile Helligkeit, abnormales Flackern des Treibers oder vorzeitiger Ausfall oft auf einen weiteren unterschätzten Faktor hin – den Spannungsabfall.

Der Spannungsabfall ist kein Produktparameter und wird auch im Datenblatt nicht demonstriert, aber er beeinflusst tiefgreifend:

• Stabiler Betrieb von LED-Leuchten;
• Helligkeitskonsistenz und Farbwiedergabe des LED-Streifensystems;
• Thermische Belastung und Langzeitlebensdauer des Treibers;
• Energieeffizienz und Sicherheit des gesamten Beleuchtungssystems;

Von Niederspannungslampen bis hin zu Hochspannungs-Wechselstromsystemen, von passiver Stromversorgung bis zu aktiven Kompensationsantriebsschaltungen verursachen Spannungsabfälle nicht nur sichtbare Helligkeits- und Farbverschiebungsprobleme, sondern können auch dazu führen, dass die Temperatur außer Kontrolle gerät und elektrische Schutzmechanismen im Treiber auslöst, was letztlich die Lebensdauer der gesamten Lampe beeinträchtigt.

Dieser Artikel konzentriert sich auf LED-Beleuchtungssysteme, analysiert die Quellen, Aufprallwege, Manifestationen und Versagensmechanismen des Spannungsabfalls eingehend und bietet technische Lösungen für verschiedene Systemarchitekturen.

01 Was ist Spannungsabfall? Wie wirkt sich das auf eine Glühbirne aus?

In einem Stromkreis verbraucht der eigene Widerstand des Drahtes einen Teil der Spannung, wenn Strom durch einen Draht fließt, was zu einer Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Netzteils und der von der Lampe empfangenen Spannung führt.

Dieser Unterschied nennt man Spannungsabfall. Wichtige Faktoren, die sie beeinflussen, sind:

• Drahtlänge: Je größer der Abstand, desto größer der Spannungsabfall.
• Drahtdicke: Je dünner der Draht, desto größer der Widerstand.
• Stromfluss: Hochstromsysteme erleben stärkere Spannungsabfälle.
• Leitermaterial: Kupferdraht ist dem Aluminiumdraht überlegen.

Man kann sich den gesamten Stromkreis wie eine Wasserleitung vorstellen: Wasserdruck steht für die Spannung, und der Wasserfluss für den Strom. Wenn das Rohr sehr dünn und lang ist und viel Wasser fließt, reicht der Wasserdruck aus dem Wasserhahn definitiv nicht aus – das ist die physikalische Intuition des Spannungsabfalls. Bei LED-Beleuchtung sind die Folgen eines unzureichenden Wasserdrucks nicht trivial:

• Niederspannungs-LED-Streifen: Die Enden verdunkeln sich und werden rot, was zu Farbverzerrungen führt.
• Hochspannungsleuchten: Eine hohe Lastkompensation des Treibers kann zu Überhitzung, Flackern oder sogar vorzeitigem Durchbrennen führen.

Außerdem geht es nicht nur darum, ob es "hell oder nicht" ist, sondern auch darum, "ob man arbeiten kann."。

02 Woher kommt der Spannungsabfall? Es scheint einfach, aber es ist sehr systematisch.

Das Wesentliche des Spannungsabfalls besteht darin, dass wenn Strom durch einen Leiter mit Widerstand fließt, ein Teil der Spannung unterwegs "aufgefressen" wird. Obwohl es in der Physik einfach V=IR ist, ist es in tatsächlichen Beleuchtungssystemen oft eine dynamische Manifestation, die aus der Überlagerung mehrerer Faktoren resultiert. Häufige Einflussfaktoren:

• Leitungslänge: Je länger die Leitung, desto größer der Widerstand und desto größer ist der Spannungsabfall.
• Kabelspezifikationen: Je dünner der Draht (kleinere Querschnittsfläche), desto größer der Widerstand.
• Laststromstärke: Je höher die Systemleistung und je höher der Strom, desto größer ist der Spannungsabfall.
• Leitermaterial: Kupfer ist Aluminium überlegen, was zu einem geringeren Spannungsabfall bei denselben Spezifikationen führt.
• Systemspannungsniveau: Niederspannungssysteme sind empfindlicher gegenüber Spannungsabfällen (siehe Teil 3 für Details).

Nichtlinearer Heizeffekt: Obwohl der Spannungsabfall linear mit dem Strom zusammenhängt, nimmt die Leitungsheizung exponentiell zu. Das heißt, wenn der Strom um 50 % steigt, steigt der Spannungsabfall nur um 50 %, aber die Heizleistung der Leitung steigt auf das 2,25-fache ihres ursprünglichen Werts, was leicht zu folgenden Folgen führt:

• Übermäßiger Anstieg der Drahttemperatur
• Überhitzung, Verfärbungen oder sogar Schmelzen der Kabelanschlüsse
• Alterung des Eingangs der Leuchte
• Die Eingangsspannung des Treibers fällt außerhalb ihres Betriebsbereichs ab, was den Schutzmechanismus auslöst oder zum Durchbrennen führt

Diese "unsichtbaren Fehler" werden oft entdeckt, wenn die Lichter flackern, die Helligkeit verringern oder vorzeitig nicht funktionieren, wenn das Zeitfenster zur Prävention oft vorbei ist.

Bild: Inkonsistente Lichthelligkeit verursacht durch Spannungsabfall im LED-Streifen (Bild aus dem Internet)

03 Niederspannungs-Gleichstrom vs. Hochspannungs-Wechselstrom: Die Systemarchitektur bestimmt die Empfindlichkeit.
LED-Beleuchtungssysteme lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen:

1. Niederspannungs-Gleichstromsystem (LVDC): wie 12V/24V-LED-Streifen
2. Hochspannungs-AC-Systeme (HLK): wie z. B. 220V-AC-betriebene Leuchten (Downlights, Panelleuchten, Glühbirnen usw.).

Diese beiden Systemtypen haben völlig unterschiedliche Reaktionsmechanismen auf Spannungsabfälle: Das eine ist das "direkte Dimmen", das andere die "Antriebsspannung".

3.1 Niederspannungssystem: Warum wird der LED-Streifen immer dunkler, wenn man hindurchfährt?

Nehmen wir zum Beispiel 60W Strom:

• 12V Systemstrom: 60 / 12 = 5 A
• 220V Systemstrom: 60 / 220 ≈ 0,27 A

Unter denselben Schaltungsbedingungen kann der Strom in einem Niederspannungssystem mehr als 15-mal so hoch sein wie bei einem Hochspannungssystem, und da der Spannungsabfall direkt proportional zum Strom ist, führt dies zu:

• Großer Spannungsabfall:Ein Niederspannungssystem könnte um 2V abfallen, was bereits 16–20 % der Gesamtspannung entspricht.
• Prozentsatz hat einen größeren Einfluss:Wenn ein 12V-LED-Streifen 2,5V schneidet, können die Enden verdunkeln oder verfärbt werden.

Außerdem können RGB-Lichtstreifen aufgrund inkonsistenter Vf-Werte der drei Farbchips (blau und grün schalten sich zuerst aus, nur Rot bleibt übrig), eine typische Manifestation von Spannungsabweichungen zeigen.

3.2 Hochspannungssystem: Der Treiber "kämpft"

Die meisten 220V-LED-Leuchten verfügen über einen eingebauten SMPS-Treiber (Schaltnetzteil), der eine bestimmte Eingangsspannungsanpassung (z. B. 100–240V-Bereich) besitzt.

Leistungsmerkmale:

• Bei einem leichten Spannungsabfall passt der Treiber aktiv den Schaltzyklus an, um den Ausgangsstrom zu stabilisieren.
• Wenn der Spannungsabfall zu groß ist: Der Unterspannungsschutz (UVLO) wird ausgelöst und die gesamte Lampe schaltet plötzlich ab.
• Längere Exposition gegenüber Randbedingungen: Erhöhte Treiberlast, verkürzte Lebensdauer und sogar ein thermischer Ausfall des MOSFET.

Der Vorteil dieses Mechanismus besteht darin, dass Nutzer die Helligkeitsänderung nicht sehen können, aber die Systemrisiken im Inneren verborgen sind, was höhere Anforderungen an Wartungspersonal und Konstrukteure stellt.

04 Was genau verändert ein Spannungsabfall? Von "Lichtdimmen" bis "Systemausfall"?"
Der Spannungsabfall führt nicht direkt dazu, dass ein Licht "ausgeht", schwächt aber systematisch die Stabilität und Konsistenz des Beleuchtungssystems. Wir können seinen Auswirkungsweg auf drei Ebenen verstehen:

4.1 Visuelle Manifestationen: inkonsistente Helligkeit, Verdunkelung, Farbtoner

• Der Lichtstreifen wird dunkler, je weiter du dich bewegst.
  Häufig in 12V/24V-LED-Streifenprojekten zu finden, ist er am Anfang hell und am Ende rötlich oder verfärbt, besonders in RGB-Systemen. Die Ursache ist eine unzureichende Chip-Eingangsspannung aufgrund eines Spannungsabfalls, und ein ungleichmäßiger Vf (Vorwärtsspannungsabfall) verursacht Farbunterschiede.
• Inkonsistente Helligkeit in mehreren Downlights/Spotlights
  Innerhalb derselben Schaltung sind Lichter näher am Netzteil heller, während die weiter entfernten Lampen schwächer sind, was zu einer schlechten Leuchtflusskonsistenz führt und den Gesamteffekt sowie die Designqualität beeinträchtigt.
• Lokales Flackern in der Fernnetzversorgung
  Wenn die Spannung am Rand der Startgrenze des Treibers liegt, löst dies einen periodischen Start/Abschalten aus, der für den Benutzer als Flackern sichtbar ist.

Diese visuellen Veränderungen verschlechtern nicht nur die Lichtqualität, sondern werden auch leicht fälschlicherweise als "Lampenqualitätsprobleme" oder "Treiberinstabilität" eingestuft und dabei systemische Netzteilprobleme übersehen.

4.2 Fahrerreaktion: von Entschädigung über Überhitzung bis hin zu Schäden

Bei Hochspannungs-LED-Leuchten (wie Downlights, Scheinwerfer und Industrielampen) sind die Hauptopfer des Spannungsabfalls tatsächlich die Stromversorgung. Sie äußert sich als:

• Kontinuierlicher Hochlastbetrieb:Um einen konstanten Stromausgang aufrechtzuerhalten, erhöht der Treiber aktiv die Einschaltzeit des Schalttransistors, was zu einem erhöhten Temperaturanstieg führt.
• Betrieb in einem kritischen Zustand:Wenn die Eingangsspannung nahe der unteren Startgrenze liegt, kann gelegentliches Flackern auftreten oder sogar ein Unterspannungsschutz ausgelöst werden.
• Langfristige Schädenansammlung:Kernkomponenten wie MOSFETs und Elektrolytkondensatoren stehen über längere Zeit unter hoher Belastung, was zu einer deutlich verkürzten Lebensdauer führt.

Kurz gesagt: Der Spannungsabfall wird die Lampe nicht durchbrennen, aber der Treiber wird durchbrennen.

4.3 Systemstabilitätsschwachstellen: schwer zu erkennen, schwer zu beheben und mit schwerwiegenden Konsequenzen.

• Während der Bauphase nicht sichtbar
  Während der Erstinstallation und des Tests sollte das Licht ohne offensichtliche Auffälligkeiten eingeschaltet sein. Probleme treten oft erst mehrere Monate nach der Nutzung des Geräts auf.
• Schwierig zu finden während der Wartung
  Die Leuchten funktionieren eindeutig und die Fahrer wurden ersetzt, aber die Lichter flackern immer noch sporadisch oder die Helligkeit ist instabil. Die Ursache liegt jedoch im Spannungsabfall über die Leitung, der sich Dutzende Meter entfernt befindet.
• Hohe Instandhaltungskosten
  Wenn die Fehlerpunkte weit verteilt sind, muss oft neu verdrahtet oder durch Kabel mit größerem Querschnitt ersetzt werden, was deutlich teurer ist als die anfängliche Investition.

Im technischen Design liegt der Spannungsabfall weder in der Verantwortung des Beleuchtungslieferanten noch im Bereich des Steuerungssystems. Sie wird im Entwurf oft übersehen oder das Bauteam wählt die Verkabelung basierend auf Erfahrung aus, was es schwierig macht, Verantwortung zu definieren und Probleme zu vermeiden.

05 Spannungsabfallantwortstrategien: Von der "Verifikation" bis zum "redundanten Design"
Wie können wir die Auswirkungen von Spannungsabfällen während der Entwurfs- und Bauphase vermeiden oder verringern? Hier sind einige gängige, umsetzbare Strategien:

5.1 Spannungsabfallberechnungen müssen vor der Auswahl eines Kabels durchgeführt werden.

Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz oder eine Nachschlagetabelle, um den Spannungsabfall zu schätzen und sicherzustellen, dass die Spannung am Ende im normalen Betriebsbereich des Geräts bleibt.

Spannungsabfallberechnungsformel (Einphasen-Wechselstrom)：

Unter ihnen:

ΔV: Spannungsabfall (V)

L: Kabellänge(m)

I:Current(A)

ρ: Leiterwiderstand (Kupfer ist 0,0175)

A: Leiter-Querschnittsfläche (mm²)

Empfehlung: Der gesamte Spannungsabfall sollte innerhalb von 3 % bis 5 % der Systemspannung gehalten werden.

5.2 Planen Sie im Voraus für segmentierte Stromversorgung oder Fernkompensation

• LED-Streifensysteme sollten vorzugsweise segmentierte oder doppelseitige Netzteile verwenden.
• Großflächige Installationen können eine zentralisierte Stromversorgung + konstante Spannungsleitung + lokale Step-down-Modularchitektur übernehmen.

Treiber mit Fernspannungsrückmeldung können Leitungsverluste genau kompensieren.

Bild: Segmentiertes Netzteil und doppelseitiges Netzteil für LED-Streifen (Bild aus dem Internet)

5.3 Redundanz ist keine Verschwendung, sondern eine Form der Systemversicherung.

• Erhöhen Sie den Drahtdurchmesser entsprechend (z. B. von 1,5 mm² auf 2,5 mm²).
• Bei niedriger Spannung für kurze Strecken wird 24V gegenüber 12V empfohlen.
• Die Linienanordnung sollte den "Schleifenwiderstand" berücksichtigen und nicht nur die Entfernung.

Der Spannungsabfall ist nicht die Frage, "ob er existiert", sondern vielmehr die Grenze von "ob er ein Problem verursacht hat". Je rigoroser das technische Design, desto höher die Systemstabilität.

06 Ein Beleuchtungssystem ist kein Flickenteppich, sondern ein vollständiges Ingenieurprojekt.
Im Zeitalter der LED-Beleuchtung sind wir es gewohnt, "sichtbare" Lichtqualitätsindikatoren wie Farbwiedergabeindex, Farbtemperaturkonsistenz, niedrige UGR und Strahlsteuerung zu verfolgen, und wir betonen auch gerne "fortgeschrittene" Konzepte wie optisches Design, intelligente Steuerung und die Gesundheit des zirkadianen Rhythmus. Je mehr diese Systeme jedoch ihre Fähigkeiten verbessern, desto mehr dürfen wir die grundlegenden ingenieurtechnischen Faktoren, die unter die Kategorie "Energieverteilung" fallen, nicht übersehen.

Spannungsabfallist das repräsentativste Beispiel: Es erscheint weder in Beleuchtungsberechnungen noch in der Armaturenparameter-Tabelle, kann aber lautlos die Leistungsbasis des Systems senken. Je größer das Projekt, desto komplexer sind die Schaltungen und je größer der Anschlussabstand, desto wahrscheinlicher ist es, dass der Spannungsabfall zu einem "versteckten Killer" wird, der nicht schnell identifiziert werden kann.

Es macht gute Produkte "unbrauchbar", führt dazu, dass stabile Laufwerke unerklärlicherweise nicht mehr funktionieren, und Steuerungssysteme zeigen scheinbar "unerklärliche" Fehlfunktionen. Diese Probleme lassen sich tatsächlich in den frühen Entwicklungsphasen vermeiden – vorausgesetzt, wir sind bereit, das Beleuchtungssystem als vollständiges Ingenieursystem zu behandeln und nicht nur als Kombination aus Leuchten und Steuerungen.

Ein wirklich stabiles, effizientes und kontrollierbares Lichtsystem ist nie nur eine Überlagerung von Licht, sondern ein synergetisches System aus Licht, Elektrizität und Kontrolle. Nur indem wir die Logik der "Elektrizität" wertschätzen, können wir die Qualität des "Lichts" wirklich aufrechterhalten.