Netzrückwirkungen

von LED-Leuchtmitteln

Es wirkt etwas befremdlich, dass ausgerechnet jetzt die Frage nach den Oberschwingungen und den Einschaltströmen von LED-Lampen in die Diskussion gerät. Ja, die LED sind neu und bevölkern soeben massenhaft die Niederspannungsnetze, doch unterscheiden sich die Eingangsstufen der elektronischen Betriebsgeräte – ob extern oder integriert – weder von denen der KLL, noch von den meisten anderen elektronischen Geräten. Deren Netzrückwirkungen wurden bereits ausführlich dargestellt, weswegen an dieser Stelle eine kurze Zusammenfassung ausreichen sollte.

Oberschwingungen

Bild 7.1: Typischer Eingangsstrom einer kleinen LED-Lampe 3 W
Bild 7.1: Typischer Eingangsstrom einer kleinen LED-Lampe 3 W

Was Oberschwingungen sind, wird daher an dieser Stelle als bekannt vorausgesetzt. Wie beschrieben, setzen wirklich wirksame Grenzwerte für Oberschwingungen bei Lampen nach DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2):2010-03 erst über einer Leistungsaufnahme von 25 W ein, bezogen jeweils auf das einzelne Exemplar. Sehen wir uns die möglichen Netzrückwirkungen doch einmal an.

Im Bereich bis 25 W sind die Grenzwerte für die höchstzulässige Verzerrung der Eingangsströme (Abweichung von der Sinusform – wie die Spannung sie eigentlich vorgibt – also Strom-Oberschwingungen) recht großzügig, so dass der Hersteller kaum Gegenmaßnahmen einbauen muss. Diese Lampen verfügen, wie die meisten elektronischen Betriebsmittel ihrer Leistungsklasse, zumeist über eine Eingangsstufe, die zunächst aus einer Gleichrichterbrücke und einem Glättungskondensator besteht. Dies führt zu periodischen Stromspitzen immer kurz vor dem Spannungsscheitel, wenn der Kondensator nachgeladen wird, und zu Stromflusspausen über die übrige Zeit, solange die Restspannung auf dem Kondensator größer ist als der Augenblickswert der gleichgerichteten Sinuskurve. Typischer Weise sehen die Stromkurven dann so aus wie in Bild 7.1.

Einphasig

Tabelle 7.1: Oberschwingungen der Lampe aus Bild 7.1
Tabelle 7.1: Oberschwingungen der Lampe aus Bild 7.1

Nun geben viele Körnlein bekanntlich einen Haufen. Da sich stets sehr viele solcher »Körnlein« am Netz befinden, ist auch die Spannung schon deutlich sichtbar verformt. Weitere Folge ist, dass der effektive Eingangsstrom eines derart gespeisten Betriebsmittels wesentlich größer ist als der Wirkstrom, in der Regel etwa doppelt so groß. Eine 3-W-Lampe nimmt also eine Scheinleistung von rund 6 VA auf. Verantwortlich ist hierfür nur zum kleineren Teil die Phasenverschiebung der Strom-Grundschwingung gegenüber der speisenden Spannung, also die Grundschwingungs-Blindleistung, obwohl diese Lampen sich durchweg leicht kapazitiv verhalten: Man sieht es z. B. auch im Bild 7.1, dass dort der Scheitel des Stroms dem Scheitel der Spannung etwas voreilt. Der größere Teil steckt jedoch in der Verzerrungs-Blindleistung QV (auch mit D bezeichnet), also in den Strom-Oberschwingungen, die eine weitere Form der Blindleistung darstellen. Tabelle 7.1 gibt einen Überblick über die bedeutendsten Oberschwingungen h des Aufnahmestroms dieser Lampe (und der Spannung des speisenden Netzes im Moment der Messung). Entsprechend stärker werden die Leitungen beansprucht, also im vorstehenden Beispiel mit 5,17 VA, um 2,87 W an die Lampe zu bringen. Früher allerdings mussten an dieser Stelle 50 VA übertragen werden, um 50 W an die entsprechende Glühlampe zu bringen (Bild 7.1):

Netzspannung U = 230,0 V,

Effektivstrom I = 22,9 mA,

Grundschwingungsstrom I1 = 13,2 mA,

Wirkleistung (gemessen) P = 2,87 W,

Scheinleistung S = 5,17 VA,

Grundschwingungs-Scheinleistung S1 = 3,04 VA,

Grundschwingungs-Blindleistung Q1 = 0,98 VA,

Verzerrungs-Blindleistung QV = D = 4,19 VA,

Verschiebungs-Leistungsfaktor cosφ = 0,947,

Gesamt-Leistungsfaktor λ = 0,556.

Dreiphasig

Bild 7.2: Messmuster für den Versuch
Bild 7.2: Messmuster für den Versuch

Werden nun aber drei solcher Lasten (Bild 7.2, Bild 7.3) – oder besser gesagt ganze Gruppen davon – zwischen je einem der drei Außenleiter und dem Neutralleiter eines Dreiphasennetzes betrieben, so ergibt sich die schon vielfach beschriebene Situation, in der sich selbst bei symmetrischer Verteilung der Lasten die Rückleiterströme nicht unbedingt aufheben, sondern eher im Gegenteil. In nachstehendem Beispiel ist der Stromflusswinkel der einzelnen Last kleiner als 60°, so dass es zu überhaupt keiner gegenseitigen Überlappung von Außenleiterströmen mehr kommt. Folglich können sich auch keine Hin- und Rückströme gegenseitig neutralisieren, und es entsteht ein Neutralleiterstrom, der im Betragsmittelwert 3 Mal so groß ist wie jeder Außenleiterstrom, im Effektivwert immer noch √3 Mal so groß (Bild 7.4).

Bild 7.3: Drei LED-Leuchtmittel einfacher Bauform (Bild 8.1) im dreiphasigen Betrieb – der Übersichtlichkeit halber hier ohne den Neutralleiterstrom dargestellt
Bild 7.3: Drei LED-Leuchtmittel einfacher Bauform (Bild 8.1) im dreiphasigen Betrieb – der Übersichtlichkeit halber hier ohne den Neutralleiterstrom dargestellt

Was wohl passiert, wenn man den Neutralleiter unterbricht, der hier offenbar wichtiger ist als jeder Außenleiter? Schließlich handelt es sich nicht um eine klassische Schieflast. Wir machen die Probe aufs Exempel (Bild 7.5). Die hier verwendete »PQ-Box 200« bietet die Möglichkeit, auch die Spannung zwischen Neutral- und Schutzleiter aufzuzeichnen, was zum Auffinden von EMV-Problemen in heutigen Netzen erforderlich ist. Hier konnte diese Funktion genutzt werden, um die Spannung zwischen dem bestehenden Sternpunkt des Netzes und dem neuen der drei Lampen zu erfassen: Der sich neu bildende Sternpunkt hält sich schon »irgendwie« in der Mitte auf, allerdings keineswegs ruhend. Er springt gleichsam im Sechseck – und das auch noch stochastisch in einem unregelmäßigen Sechseck, weil es sich um aktive Lasten handelt, die in der ungewohnten Situation unkalkulierbar irgendetwas tun. Die Spitzen der Spannung zwischen den beiden Sternpunkten erreichen 145 V!

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Bild 7.4: Die gleiche Aufnahme wie in Bild 7.3, jedoch hier mit N-Strom: 3 * 2 Spitzen je Außenleiter ergeben 6 Spitzen im Neutralleiter, folglich einen Neutralleiterstrom mit einer Frequenz von 150 Hz
Bild 7.4: Die gleiche Aufnahme wie in Bild 7.3, jedoch hier mit N-Strom: 3 * 2 Spitzen je Außenleiter ergeben 6 Spitzen im Neutralleiter, folglich einen Neutralleiterstrom mit einer Frequenz von 150 Hz

Unter solchen Umständen verlaufen Spannungen und Ströme an den Lasten sehr unregelmäßig (Bild 7.5). Zwei der Lampen funktionieren erstaunlicher Weise noch einwandfrei, eine flackert. Wie lange die Lampen diesen Betriebszustand mit sich hätten machen lassen, ist jedoch unbekannt.

Bild 7.5: Nach 40 ms wurde der (relativ) hoch belastete N-Leiter unterbrochen
Bild 7.5: Nach 40 ms wurde der (relativ) hoch belastete N-Leiter unterbrochen

Nach Abschalten einer Lampe, also Trennen eines Außenleiters, fangen die restlichen beiden Lampen ebenfalls an zu flackern – obwohl jetzt rechnerisch jede noch 200 V »abbekommen« müsste. Ein einphasiger Vergleichstest am Stelltrafo zeigt: Eine Lampe allein fängt erst unterhalb von 36 V an zu flackern und brennt schon ab 75 V mit voller Leistung! Die Fehlfunktion ist also allein auf die Reihenschaltung zweier gleicher Lampen zurück zu führen, nicht auf die bei Reihenschaltung an 400 V um 15% zu niedrige Spannung an jeder Lampe. So ist sie eben, die Elektronik: Manchmal meint man, die ganze Elektrotechnik stimme nicht mehr, sobald etwas Elektronik hinzu kommt.

Bild 7.6: Betrieb der Leuchtmittel nach Bild 7.2 an drei Außenleitern – nach 60 s Unterbrechung des Neutralleiters und nach 120 s Abschaltung einer Lampe (Abbruch nach 180 s)
Bild 7.6: Betrieb der Leuchtmittel nach Bild 7.2 an drei Außenleitern – nach 60 s Unterbrechung des Neutralleiters und nach 120 s Abschaltung einer Lampe (Abbruch nach 180 s)

Bestätigt finden sich die beschriebenen Verhältnisse bei Betrachtung der Verläufe der Effektivwerte über die Dauer des Versuchs (Bild 7.6) statt der Verläufe der Augenblickswerte über eine Periode oder einige wenige Perioden (Bilder 7.3 bis 7.5):

  • Sobald der Neutralleiterstrom unterbrochen wird, steigen die Außenleiterströme. Eine Kontrollrechnung erweist nur eine geringfügige Erhöhung der Leistungsaufnahme von etwa 5 W auf 5,5 W je Lampe. Der deutlich erhöhte Strom rührt von der Erhöhung des Effektivwerts (des Formfaktors), also von der noch größeren Verzerrung der Stromkurvenform her.
  • Die Spannung verteilt sich extrem ungleich auf die drei »gleichen« Lampen.
  • Die Effektivwerte der Ströme verlaufen wesentlich unruhiger, sobald der Neutralleiter fehlt.
  • Die Spannung zwischen den beiden Sternpunkten (des Netzes und der Last) ist beträchtlich, wie schon zuvor festgestellt.

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Kein Heißleiter?

Zu bedenken bleibt jedoch, dass in der VDE 0298-4 leider weiterhin Grenzwerte für die Belastbarkeit von Kabeln und Leitungen nur für höchstenfalls 3 belastete Adern angegeben werden. Die Situation, dass unter Oberschwingungs-Belastung in Drehstromnetzen auch 4 Adern gleichzeitig belastet werden können, bleibt unberücksichtigt. Diese Lücke versucht das (schon wieder nicht mehr ganz) neue Beiblatt 3 zur DIN VDE 0100-520 zu schließen, wo Hinweise und Richtwerte für die Belastbarkeit bei in der Praxis vorkommenden Szenarien gegeben werden. Eine der Schwierigkeiten ist dabei, dass der Normungsprozess recht langwierig ist und von der technischen Entwicklung immer wieder überholt wird. Auch LED-Leuchtmittel sind in dem Beiblatt 3 noch nicht erwähnt. Zwar gilt für diese, wie ausgeführt, sinngemäß das gleiche wie für KLL, doch hätte wenigstens dies der Erwähnung bedurft. Dies wird in der nächsten Fassung nachgetragen werden.

Die Risiken lauern an anderer Stelle

Der Ersatz der Glühlampen mit einem Leistungsfaktor von 1, zunächst durch KLL und jetzt durch LED-Leuchtmittel mit Leistungsfaktoren um 0,5, hat jedoch die Leistungsaufnahme der Beleuchtung um mindestens 75% gesenkt. Damit ist der Effektivstrom im Außenleiter trotz der starken Verzerrung auf die Hälfte gefallen. Der Strom im Neutralleiter ist also immer noch kleiner als bei Glühlampen im Falle des Ausfalls eines Außenleiters. Rauchzeichen, wenn es sie vorher nicht gegeben hat, sind also auch nach der Umrüstung eher nicht zu erwarten. Nein, die Risiken und Nebenwirkungen liegen auf einer anderen Ebene, nämlich bei der Netzform: Die nichtsdestoweniger im normalen Betrieb gestiegenen Neutralleiterströme müssen richtig zum Sternpunkt der Versorgung geführt werden, und das heißt hier: Nicht kreuz und quer durch das Gebäude! Das bedeutet im Einzelnen:

  • Unabdingbar und wichtiger als jemals ist die Errichtung eines TN-S-Systems, wie es normativ nun für Neuanlagen gefordert, aber auch die Umrüstung bestehender Anlagen empfohlen wird.
  • Wichtig ist auch dessen Überwachung, ob es überhaupt noch eines ist – Stichwort »Differenzstrom-Überwachung«: »Wartung« heisst eben nicht, zu warten, bis etwas passiert, bestenfalls die (hoffentlich vorhandene) Fehlerstrom-Schutzeinrichtung die Versorgung unterbricht, sondern vorher eine Warnung zu erhalten! Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Differenzströme (PE-Ströme) in einer Anlage eher selten plötzlich, sondern meist langsam und allmählich ansteigen. Das gibt Handlungsspielraum.
  • Zu einer EMV-gerechten Errichtung gehört auch, dass die aktiven Leiter – also einschließlich des N-Leiters – möglichst eng beieinander und möglichst weit entfernt vom PE/PA-Leiter und allen daran angeschlossenen Teilen verlegt werden, um die induktive Einkopplung zu minimieren, nachdem man (siehe oben) die galvanische vermieden hat. Die höherfrequenten Ströme, die durch moderne elektronische Betriebsmittel in das Netz geraten, koppeln sich proportional zur höheren Frequenz stärker in benachbarte leitfähige Teile ein.

Zwischenbilanz Oberschwingungen

Wie der Name sagt, sind Netzrückwirkungen mehr eine Frage der Netze als der daran betriebenen Geräte. Deswegen geht eine Überlegung in Richtung der Installation von Gleichstromnetzen – als Zusatz zu den Endstromkreisen in Wechsel- und Drehstromtechnik oder alternativ dazu; das steht noch nicht fest und mag im Einzelfall variieren. Auch über die Spannungsebene wird noch diskutiert. Von 24 V bis 400 V reichen die Entwürfe – oder gleich zwei einführen? Die Gründe liegen auf der Hand: Die meisten Verbraucher sind heute elektronischer Natur und arbeiten mit integrierten oder externen Schaltnetzteilen, die den Wechselstrom aus dem Netz als erstes gleichrichten, ehe sie ihn weiter verarbeiten; also warum nicht zentral gleichrichten? Sowohl die Anschaffungskosten als auch die Wirkungsgrade sind bei großen zentralen Gleichrichtergeräten günstiger als die der vielen verstreuten kleinen und kleinsten Einzelgeräte. Das Problem mit den Oberschwingungen lässt sich ebenfalls an einer großen Einheit besser handhaben als in vielen kleinen. Die vielen kleinen Betriebsgeräte wären zwar größtenteils noch immer erforderlich, denn kaum ein LED-Modul ließe sich direkt an der vorgegebenen Spannung betreiben, doch ließen sich diese vereinfachen. Eine PFC (power factor correction – elektronische Leistungsfaktor-Korrektur) erübrigt sich bzw. wird nur ein Mal am zentralen Gleichrichtergerät erforderlich. Doch bis zur Umsetzung ist es noch ein weiter Weg. So lange werden uns die Oberschwingungen im Netz noch begleiten – und entsprechend müssen wir dieses aufbauen; dann dürfen sich die vielen kleinen LED-Lämpchen weiterhin ungezwungen benehmen (Bild 7.1).

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Einschaltströme

Bild 7.7: Einschaltstrom einer LED-Lampe 14 W
Bild 7.7: Einschaltstrom einer LED-Lampe 14 W

Ein weiteres, ebenfalls durch die Speisung elektronischer Geräte über Brückengleichrichter und Siebkondensator verursachtes Problem sind extrem hohe Einschaltströme (Bild 7.7). Eine Erkenntnis, die schon hier gegeben werden soll, um Pannen vorzubeugen, ist, dass auch Geräte mit einer anderen Architektur wie etwa PFC (elektronische Leistungsfaktor-Korrektur – power factor correction) zwar kaum noch Oberschwingungen, oft aber dennoch hohe Einschaltspitzen verursachen. Ausnahmen (Bild 7.8) bestätigen zwar die Regel, aber auch den Umstand, dass dies nicht zwangsläufig so sein muss.

Bild 7.8: Einschalten einer LED-Lampe 10 W, hier vom Hersteller (Osram) freiwillig ohne normativen Zwang mit PFC ausgestattet – in diesem Fall auch ohne nennenswerten Einschaltstrom, aber mit HF-Überlagerung auf dem »normalen« Betriebsstrom
Bild 7.8: Einschalten einer LED-Lampe 10 W, hier vom Hersteller (Osram) freiwillig ohne normativen Zwang mit PFC ausgestattet – in diesem Fall auch ohne nennenswerten Einschaltstrom, aber mit HF-Überlagerung auf dem »normalen« Betriebsstrom

Nun ist es zwar nicht zulässig, vom Einschaltstrom einer Lampe linear auf den mutmaßlichen Einschaltstrom mehrerer Lampen hochzurechnen. Höher als der Kurzschlussstrom der Anlage kann der Einschaltstrom nicht werden. Dennoch steigen die Einschaltspitzen mit jeder weiteren Lampe, die an ein Schaltgerät angeschlossen wird. Die Auswirkungen können drastisch sein und müssen beim Aufbau der Anlage und bei der Auswahl der Schaltgeräte berücksichtigt werden. Die Hersteller machen hierzu entsprechende Angaben – wenn auch auf vielfältige, sprich unterschiedliche und somit nicht unbedingt vergleichbare Weise, da Normen für diese Art der Beanspruchung noch fehlen.

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HF-Beimischungen

Bild 7.9: Straßenbeleuchtung konventionell: Natriumdampflampe mit KVG
Bild 7.9: Straßenbeleuchtung konventionell: Natriumdampflampe mit KVG

Mit etwas Glück erhält man auch Lampen, die zwar eine Nennleistung deutlich unter 25 W aufweisen, aber dennoch mit einer PFC ausgestattet sind, weil die zugehörige Elektronik heute fast nichts mehr kostet. Der Gehalt an Oberschwingungen im Eingangsstrom ist dann nicht mehr der Rede wert, aber die Glättung im »groben« Bereich wird im »feinen« durch hochfrequente Überlagerungen auf der Stromkurve erkauft. Auch der typische Anteil an kapazitiver Grundschwingungs-Blindleistung bleibt (im Gegensatz zu dem stark induktiven Verhalten alter Leuchtmittel mit magnetischen Vorschaltgeräten). Vergleicht man die Kurvenformen der Leuchtmittel, so ist zwar die herkömmliche Art auch nicht frei von Oberschwingungen (Bild 7.9), doch verläuft die Kurve recht »ruhig« gegenüber dem unsteten Wechsel ständiger hochfrequenter Überlagerungen auf dem Eingangsstrom einer modernen LED-Straßenleuchte (Bild 7.10).

Bild 7.10: Straßenbeleuchtung modern: LED-Lampe mit EVG
Bild 7.10: Straßenbeleuchtung modern: LED-Lampe mit EVG

In der Regel hat dies keine Auswirkungen auf andere Anlagen und Betriebsmittel; unter Umständen aber doch (sonst wäre dies weder hier noch anderswo ein Thema). Besonders groß ist das Störpotenzial in TN-C-Systemen, wo sich der Rückstrom samt aller hochfrequenten Beimischungen zwangsläufig über das gesamte Erdungssystem verteilen kann. Für 230 V und 50 Hz bemessene Entstörkondensatoren können überlastet werden – auch wenn die Frage berechtigt ist, wozu man einen Entstörkondensator brauchen sollte, wenn ausschließlich Spannungen und Ströme von 50 Hz im Netz unterwegs sind, aber dann trifft es eben die so ausgewählten Kompensations-Kondensatoren. Gedanken-Experiment: In o. g. Straßenbeleuchtung werde jede zweite Natriumdampflampe durch eine LED-Lampe ersetzt. Die (verbleibenden) Natriumdampflampen werden wegen des doch erheblichen Blindstroms (Bild 7.9) dezentral durch eine in jeder einzelnen Leuchte angebrachte Parallel-Kompensation kompensiert, was eigentlich ohnehin üblich ist. Dies ist für die Reinigung des Netzes günstig, da hierüber auch die hochfrequenten Teilströme aus den elektronischen Betriebsgeräten größtenteils abfließen können. Jeweils von einer LED-Leuchte zur nächsten Na-Leuchte jedoch sind die HF-Ströme dann immer noch unterwegs – und zwar sogar verstärkt, da sie einen sehr bequemen Weg mit geringer Impedanz zum Abfließen vorfinden. Dadurch können z. B. die Kondensatoren überlastet werden. Auch ist nicht auszuschließen, dass eine LED-Leuchte eine LED-Leuchte stört oder ähnliche Effekte auftreten:

Gegenseitige Inkompatibilitäten elektrischer Einrichtungen

Wie weit es selbst bei jenen Geräten mit der Kompatibilität oftmals her ist, die einer gemeinsamen Funktion zugedacht sind, wurde bereits bei den Dimmern deutlich. Um wie viel heikler wird es dann sein, wenn die betreffenden Betriebsmittel eher »zufällig« aufeinander treffen? Ein solcher Fall wurde bereits ausführlich öffentlich dargestellt und muss daher hier nur noch kurz skizziert werden:

In einem komplett renovierten Wohnhaus wurde eine sehr umfangreiche LED-Beleuchtungsanlage mit dimmbaren Lampen installiert. Die elektrische Anlage war vollständig erneuert worden. Die Lampen funktionierten nur so lange einwandfrei, bis der dort vorhandene elektronische Durchlauferhitzer in Betrieb ging. Während dessen flackerten alle dimmbaren Lampen – auch jene, die nicht mit einem Dimmer ausgestattet waren. Alle durchgeführten Maßnahmen fruchteten nichts: Ein vom Hersteller beigestellter Kondensator nicht, der Wechsel auf einen anderen Lampentyp oder einen anderen Dimmer nicht, die Umverteilung der Stromkreise natürlich auch nicht, denn die neue Anlage war schon üppig diversifiziert (jeder Raum 5-adrig angefahren). Einzig der versuchsweise Einsatz einer USV-Anlage für die Beleuchtungsstromkreise brachte Hilfe, war aber verständlicher Weise für eine dauerhafte Installation zu aufwändig. Offenbar interpretierten die dimmbaren Lampen jeden Knick in der Spannungskurve als ein Signal zum Dimmen, denn die »gedimmte« Spannung – ob Anschnitt oder Abschnitt – ist immer durch Knicke gekennzeichnet, die eine Sinuskurve nicht aufweist. Selbst wenn die Wellenpaketsteuerung des elektronischen Durchlauferhitzers nur im Nulldurchgang schaltet, was tunlichst der Fall sein sollte, so stellt dennoch jedes Einschalten und jedes Ausschalten einen Knick in der Stromkurve dar, der sich bei den erheblichen Stromstärken in gewissem Umfang in der Netzspannung abbildet. Die Induktivität der das Haus speisenden Freileitung (Hin- und Rückweg des Stroms liegen hier viel weiter auseinander als in einem Erdkabel) trug das Ihre zu diesem Effekt bei. Eine Lösung konnte also darin liegen, ein »einfaches« Leuchtmittel zu finden, das nicht aus irgendwelchen Knicken irgendwelche Schlüsse zieht, sondern allein dadurch dunkler wird, dass ein Teil der speisenden Spannungs-Zeit-Fläche fehlt – wie bei der (gar nicht so) guten, alten Glühlampe und ihrem klassischen Dimmer. Der Nachteil ist, dass eine solche Lampe dann auch bei jeder anderen Form der Spannungsänderung ihre Helligkeit verändert. Die andere Lösung ginge in die Gegenrichtung, nämlich hin zu einer Lampe mit noch komplizierterer Elektronik, die ihre Signale über einen separaten Kanal (Datenleitung oder drahtlos) erhält und nicht durch irgendwelche Knicke in der sie speisenden Spannung (also DALI oder dergleichen).