Lichtflimmern

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Das Lichtflimmern beschreibt Schwankungen in der Leuchtdichte eines elektrisch betriebenen Leuchtmittels, welches durch Aufbau und Konstruktion des Leuchtmittels bedingt ist. Es ist von dem Begriff Flicker abzugrenzen, dessen Leuchtdichteänderung durch im Regelfall ungewollte Schwankungen der Netzspannung im Stromnetz hervorgerufen wird.

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach der Erfindung der ersten elektrischen Beleuchtung in Form der Kohlefadenlampe in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und in späterer Folge dessen Betrieb mit Wechselstrom wurde das Thema der Flimmerfreiheit und zeitlichen Gleichmäßigkeit des Lichts im „Handbuch der Lichttechnik“ im Jahr 1938 thematisiert.[1] Elektrische Leuchtmittel wie Glühlampen oder Leuchtstoffröhren, welche direkt mit der Netz-Wechselspannung betrieben werden, flimmern mit der doppelten Netzfrequenz. Durch die thermische Trägheit ist das Flimmern bei Glühlampen geringer als bei Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen. Bei LED-Leuchtmitteln ist das optische Flimmern durch die Art der üblicherweise im Lampensockel integrierten Stromversorgung bestimmt: Technisch aufwändigere Schaltnetzteile erlauben einen flimmerfreien Betrieb der Leuchtdioden, wohingegen bei den kostengünstigen Kondensatornetzteilen ein wahrnehmbares Flimmern auftreten kann.

Wirkungsweise auf den Organismus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sonnenlicht als natürliche Lichtquelle stellt kein flimmerndes Licht dar, weshalb Lebewesen im Laufe der Evolution keine Maßnahmen zur Kompensation flimmernden Lichts entwickelt haben. Das Lichtflimmern belastet das Nervensystem insoweit, als dass im Extremfall (Stroboskop) die in schneller Folge wahrgenommenen Einzelbilder vom Gehirn in eine kontinuierliche Prozessabfolge umgewandelt werden müssen. Auch dahingehende Täuschungen, dass sich kontinuierlich bewegende Objekte nicht als solche wahrgenommen werden sind möglich, weswegen entsprechend stark flimmerndes Licht nach DIN EN 12464-1 zu vermeiden ist bzw. an entsprechenden Maschinen-Arbeitsplätzen als gefährlich einzustufen und deshalb zu unterbinden oder zu kompensieren ist. Die Wahrnehmungsträgheit des sehenden Lebewesens wiederum hängt mit der Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung in der Netzhaut und dem Gehirn zusammen, was wiederum davon abhängt, wie stark diese Lebewesen darauf angewiesen sind, schnelle Bewegungen wahrzunehmen.[2]

Die Flimmerfusionsfrequenz oder Flimmerverschmelzungsfrequenz „ist die Frequenz, bei der eine Folge von Lichtblitzen als ein kontinuierliches Licht wahrgenommen wird.“[3] Sie gilt für den Ruhezustand des sehenden Wesens gegenüber der Lichtquelle und hängt von weiteren Faktoren ab, wie Amplitude der Lichtmodulation, der mittleren Lichtintensität, Wellenlänge, der Position auf der Netzhaut, an der die Stimulation stattfindet sowie dem Grad der Hell-Dunkel-Adaptation.

Bei 1 von 4000 Menschen bestehen Risiken durch Epilepsie-Anfälle im Frequenzbereich von 3 Hz bis 70 Hz, insbesondere 15 bis 20 Hz.[4]

In der Literatur wird unterschieden zwischen:[5][6]

  • dem Stroboskopeffekt, bei dem das Auge in Ruhe ist und sich das Objekt im Stroboskoplicht bewegt (Wagenrad-Effekt)
  • dem Perlschnureffekt oder Phantom Array Effect, bei dem das bewegende Auge eine Stroboskoplichtquelle oder ein von Stroboskoplicht beleuchtetes Objekt beobachtet.

Bei schnellen Augen- oder Objektbewegungen kann Lichtflimmern bis zu einer Frequenz von ca. 2000 Hz zu so genannten Perlschnur-Effekten (bei denen ein Netzhautabbild einer Lichtquelle als unterbrochene Linie wahrgenommen wird[6]) oder stroboskopischen Effekten führen. Bezüglich „dynamischer“ Perlschnurverschmelzungsfrequenzen existiert eine Forschungslücke, das muss im Detail weiter wissenschaftlich untersucht werden.[6] Nach DIN 12464-1 verursacht Flimmern Störungen und kann physiologische Effekte wie Kopfschmerzen hervorrufen.[7] Stroboskopeffekte können gefährliche Situationen erzeugen, indem sie die Wahrnehmung rotierender oder sich hin und her bewegender Maschinenteile ändern[7].

Messverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Messreihe per Hardware[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für den Aufbau des Messgerätes gilt folgende Empfehlung, um die optischen Einflüsse auf den Organismus zu erfassen:

  • Verwendung einer V-Lambda-Fotodiode zur Unterdrückung des infraroten Lichtanteils und Beschränkung auf den sichtbaren Lichtanteil einer Glühlampe
  • Transimpedanzverstärker mit variabler Transimpedanz zur optimalen Nutzung des vertikalen Messbereichs
  • Antialiasing-Tiefpass-Filter zur Einhaltung des Abtasttheorems, abhängig von der Abtastfrequenz. In der Praxis flimmert Licht aufgrund der Verwendung von Schaltreglern auch mit Frequenzen von 80 kHz oder mehr.
  • Analog-Digital-Umsetzer mit einer Abtastfrequenz von min. 10 kHz (zur ausreichenden Darstellung und Verrechnung)
  • Dynamik von 12 Bit für eine ausreichende vertikale Auflösung
  • Je nach Berechnungsverfahren eine Erfassung von mindestens fünf Perioden bis zu einer Sekunde Dauer

Berechnungsverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es gibt verschiedene Bestrebungen, das Lichtflimmern zu messen, wobei für einen sinnvollen Messwert (Berücksichtigung o. g. Wirkungsweisen auf den Organismus) verschiedene Details einzukalkulieren sind:

  • Wechselamplitude relativ zum Gleichanteil des Lichts
  • Flimmergrundfrequenz
  • Kurvenform (Frequenzkomponenten)
  • Hell-Dunkel-Adaption (Kontrast von dunkelstem zu hellstem Wert)
  • Stroboskopeffekt (Anteile völliger Dunkelheit), (phantom array effect[5]), Perlschnureffekt[6]
  • Menschliche Wahrnehmungsschwelle abhängig von Amplituden und Flimmerfrequenzen
  • Betriebsarten gem. klassischem Retrofit-Einsatz (gedimmt, ungedimmt, 12 V~)

Die Änsätze unterteilen sich in die beiden Kategorien 'zeitbasiert' und 'frequenzbasiert'.

Zeitbasierte Berechnungsverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Messwert für das Flimmern über diesen Weg ergibt sich hauptsächlich aus Amplitudenverhältnissen. Frequenzen werden nicht berücksichtigt, was die Eignung als Messverfahren für das Flimmern einschränkt.

Kontrastmethode (Wechselanteil)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Firmen Admesy B.V.[8] und CHROMA ATE INC[9] beschreiben damit ein Verfahren, welches den Wechselanteil (Max−Min oder RMS nach Abzug des Gleichanteils) der Lichtemission zum Gleichanteil (Mittelwert oder ½Max+½Min) ins Verhältnis setzt. Teilweise wird dieses Verhältnis in Dezibel angegeben. Teilweise wird die Höhe der Grundfrequenz berücksichtigt, z. B. minus 12 dB bei 50 Hz.

Berechnung nach IESNA[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das etwas verbreitete Messverfahren nach IES: RP-16-10[10] ergibt 2 Messwerte: 1. Das Flimmern in Prozent (Percent Flicker; %Flicker) und 2. der Flimmerindex (Flicker Index). Die Korrelation von %Flicker mit dem Flicker Index ändert sich mit der Kurvenform. Der Stroboskopeffekt ist feststellbar, wenn der %Flicker 100 % erreicht hat, was jedoch keine Aussage über dessen Intensität (Tastverhältnis) erlaubt. Wie die beiden nur in Kombination angewendeten Werte letztlich auf einen Flimmerwert schließen lassen, ist für den Anwender nicht transparent. Eine Smartphone-App von Viso Systems[11] verwendet diese Berechnung, aber sie hat entscheidende Nachteile, die zu Fehlmessungen und damit zu Fehlentscheidungen führen können:

  • Lampen mit hochfrequenten Schaltreglern werden zu niedrig abgetastet (Verletzung des Abtasttheorems)
  • Wie die beiden Werte gemeinsam zu einer gut/schlecht-Entscheidung führen, ist nicht dokumentiert

Darüber hinaus werden bei der Berechnung nach IES: RP-16-10 weder die für die Wahrnehmbarkeit wichtige Flimmergrundfrequenz noch die Betriebsarten berücksichtigt.

Frequenzbasierte Berechnungsverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Berechnung wird das Messsignal per Fourier-Transformation in seine Frequenzanteile zerlegt. Periodische Signale lassen sich damit als ein diskretes Spektrum einzelner Frequenzanteile beschreiben, die Flimmergrundfrequenz und weitere Frequenzkomponenten bei nicht sinusförmigen Verlauf gehen in die Berechnung ein.

JEITA- und VESA-Methode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die JEITA-Methode wenden die Firmen Admesy B.V.[8] und CHROMA ATE INC[9] nach der Zerlegung der Kurve in seine Frequenzanteile eine frequenzabhängige Bewertungskennlinie an, die alle Frequenzen ≥ 65 Hz mit 0 bewertet. Die resultierende höchste Einzelamplitude bestimmt die Flimmerfrequenz und die Flimmeramplitude.

Der VESA-Wert liegt wegen der Quadrierung der einzelnen FFT-Amplituden um den 3,01 dB höher. Durch die Einbeziehung von nur einer Frequenz von max. 65 Hz bleiben Kurvenformen und das Hauptproblem des Flimmerns mit der doppelten Netzfrequenz, der Stroboskopeffekt, (phantom array effect[5]), und der Perlschnureffekt[6] unberücksichtigt.

Berechnung nach LRC[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Gruppe ASSIST des Lighting Research Center wendet auf die mit 2 kHz abgetasteten Werte die Diskrete Fourier-Transformation an[12]. Die gewonnenen Frequenzanteile werden nach einer Kennlinie bewertet, die sich an die Flimmerfusionsfrequenz anlehnt. Aus der Bildung des Effektivwertes (quadratischer Mittelwert) der bewerteten Frequenzanteile entsteht ein sog. „metrischer Wert“. Dieser wiederum wird einer weiteren Bewertungsformel unterzogen, aus der die Nachweiswahrscheinlichkeit des Flimmerns in Prozent angegeben wird. Durch die Wahl der nach oben begrenzten Flimmerfusionsfrequenz von 70 Hz bleiben das Hauptproblem des Flimmerns mit der doppelten Netzfrequenz, der Stroboskopeffekt, (phantom array effect[5]), und der Perlschnureffekt[6] unberücksichtigt.

Grenzwerte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da normativ kein Messverfahren für das Lichtflimmern festgelegt ist, fehlt es auch an numerischen Grenzwerten, die je nach Anwendung festzulegen sind. Nach DIN EN 12464-1[7] sollen Beleuchtungssysteme so ausgelegt werden, dass Flimmern und Stroboskopeffekte vermieden werden. Die Energy-Star-Vorgabe, die am 30. September 2014 in Kraft getreten ist, legt beispielsweise fest, dass der maximale Flimmeranteil und Flimmerindex angegeben werden müssen. Die Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST) wiederum betrachtet bei 100 Hz einen Flimmeranteil von mehr als 20 % als nicht mehr akzeptabel, bei 120 Hz von über 30 %.[13]

Ursachen und Maßnahmen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Ursachen des Lichtflimmerns und Maßnahmen zur Abhilfe unterscheiden sich bei den einzelnen Leuchtmitteltechnologien. Das Lichtflimmern kann völlig eliminiert werden, indem das Leuchtelement mit Gleichspannung versorgt wird.[7] Es kann vermindert werden, indem die Frequenz des Lichtflimmerns so hoch gewählt wird (größer als ca. 30 kHz[7]), dass das Nervensystem des sehenden Lebewesens, welches sich entweder in Ruhe oder in Bewegung relativ zur Lichtquelle befindet, aufgrund seiner physischen Eigenschaften das Flimmern nicht wahrnehmen kann. Grundsätzlich unterscheiden sich drei Technologien zur Erzeugung künstlichen Lichts.

Glühlampe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Glühlampe, an 50-Hz-Wechselspannung betrieben, mindert die zu erwartende 100-Hz-Modulation durch die thermische Trägheit des Glühfadens. Ein Flimmern ist bei der Glühlampe zwar auch vorhanden, es fällt aber vergleichsweise gering und weich aus. Im Betrieb wird der Glühfaden bis zur Weißglut bei ca. 2500 °C erhitzt, und im Bereich des Nulldurchgangs (keine Stromversorgung) kühlt er mit großer Trägheit ab, was eine Lichtflimmeramplitude von etwa 5…20 % (je höher die Stromaufnahme, desto geringer das Flimmern) und eine Sinusform zur Folge hat. Erfahrungsgemäß hat das keinen Einfluss auf die Gesundheit des Menschen - für Arbeitsplätze an bewegten Maschinen sind Glühlampen grundsätzlich geeignet.

Leuchstofflampen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Leuchtstofflampen können unterteilt werden:

  • Energiesparlampe oder Kompaktleuchtstofflampe: das elektronische Vorschaltgerät arbeitet mit Schaltfrequenzen von etwa 40 kHz. Je nach Innenaufbau flimmern die Lampen mehr oder weniger mit 100 Hz.
  • Leuchtstofflampen mit konventionellem Vorschaltgerät (KVG): starkes 100-Hz-Flimmern. In den Nulldurchgängen leuchtet der gelbe Leuchtstoff nach und mindert das Flimmern etwas. Ältere Lampen können 50-Hz-Flimmeranteile zeigen.
  • Leuchtstofflampen mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG) sind meistens flimmerfrei, da diese häufig mit einer Frequenz von >30000 Hz arbeiten. Kompaktleuchtstofflampen sind davon ausgenommen, da in deren Sockel der Platz für derart hochwertige Netzteile in der Regel nicht ausreicht. Trotzdem haben Kompaktleuchtstofflampen meist weniger Flimmeranteile als Leuchtstofflampen mit konventionellem Vorschaltgerät.
  • Kaltkathodenlampen werden teilweise zur Hintergrundbeleuchtung (backlight) von LCD-Fernsehern und -Monitoren eingesetzt und flimmern dort prinzipiell nicht (hohe Wandlerfrequenz), werden jedoch mittels Pulsweitenmodulation mit Frequenzen oberhalb 100 Hz gedimmt. Bei Leuchtreklame hängt das Flimmern davon ab, ob ein elektronischer Transverter oder ein Streufeldtransformator eingesetzt wird. Letztere führen zu starkem Flimmern, erstere nicht.
Laptopdisplay mit LED-Hintergrundbeleuchtung, dessen Helligkeit gedimmt wurde oder im energiesparendem Flimmermodus arbeitet. Vor dem Bildschirm bewegte Hand illustriert die Flimmerfrequenz von zirka 167 Hz

Hochdrucklampen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Natriumdampflampen, Quecksilberdampf-Hochdrucklampen und Halogen-Metalldampflampen flimmern je nach Vorschaltgerät stark bis wenig - je nachdem ob sie an einem konventionellen Drossel-Vorschaltgerät oder einem elektronischen Vorschaltgerät betrieben werden. Höchstdrucklampen (Xenon-Bogenlampen in Filmprojektoren und Scheinwerfern, Quecksilberdampf-Höchstdrucklampen) flimmern nicht - sie werden mit Gleichstrom betrieben.

LED-Leuchtmittel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die LED als Kern eines LED-Leuchtmittels besitzt keine immanente Eigenschaft, die das Flimmern reduziert. Die Lichtstärke ist proportional zum elektrischen Strom, der durch die LED fließt. Weiße LED besitzen das Flimmern nur wenig dämpfende Leuchtstoffe. Um Flimmern zu vermeiden, ist der Betrieb mit unmoduliertem oder ausreichend hochfrequent moduliertem Gleichstrom notwendig.

Je nach Vorschaltgerät treten bei Retrofit-Lampen Lichtmodulationen mit Modulationsgraden von < 1…100 % auf. Die relevante Grundfrequenz ist dabei 100 oder 120 Hz entsprechend der doppelten Netzfrequenz. Es spielt dabei zunächst keine Rolle, ob es sich beim Vorschaltgerät um eine einfache oder eine komplizierte elektronische Schaltung handelt - der flimmerfreie Betrieb erfordert vielmehr einen Elektrolytkondensator, der die Nullstellen der Netzspannung mit der in ihm gespeicherten Energie überbrücken kann. Solche Kondensatoren sind teuer, thermisch anfällig und voluminös.

Kennzeichnungen im Handel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das größte Problem für den Endverbraucher oder Händler bzw. Inverkehrbringer ist die Tatsache, dass normativ kein Maß für das Lichtflimmern zur Kennzeichnung vorgeschrieben ist. Daher ist es unmöglich, im ausgeschalteten Zustand flimmerfreie von extrem flimmernden Leuchtmitteln zu unterscheiden. Erst nach dem Kauf stellt der Endverbraucher ggf. fest, ob es sich um ein stark flimmerndes Produkt handelt oder nicht. Da wie oben gezeigt das Lichtflimmern bei 100 Hz individuell stark unterschiedlich wahrgenommen wird, gibt es auch in Online-Rezensionen zu den Produkten sehr unterschiedliche Aussagen.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Arnold Wilkins, Jennifer Veitch, Brad Lehman: LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update. Konferenzbeitrag: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 2010, IEEE, doi:10.1109/ECCE.2010.5618050 (online)

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Rudolf Sewig: Handbuch der Lichttechnik, Erster Teil, Springer-Verlag 1938, Nachdruck: ISBN 978-3-642-50384-9
  2. Sarina: Das Reptilienauge
  3. Holger Luczak: Arbeitswissenschaft. 2., vollst. neubearb. Aufl. Springer, Berlin [u. a.] 1998, ISBN 3-540-59138-9
  4. IEEE Standards Association (IEEE-SA): A Review of the Literature on Light Flicker, (PDF; 682 kB)
  5. a b c d Naomi J. Miller, Michael Poplawski: SSL Flicker Fundamentals and Why We Care, (PDF; 33,9 MB)
  6. a b c d e f Mühlstedt, Roßner & Bullinger: Die dunkle Seite des Lichts – Diskomfort durch Flicker bei (LED-)Lichtern im Straßenverkehr in Bezug zu peripheren Flimmerverschmelzungsfrequenzen, (PDF; 797 kB)
  7. a b c d e DIN EN 12464-1: Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten – Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen, http://www.beuth.de/de/norm/din-en-12464-1/136885861
  8. a b http://www.admesy.nl/wp-content/uploads/TechNoteFlicker.pdf
  9. a b http://www.go-gddq.com/down/2014-04/14041612411934.pdf
  10. IESNA lighting handbook, 9th edition, ISBN 978-0-87995-150-4
  11. Viso Systems: flicker-tester, http://www.visosystems.com/products/flicker-tester/
  12. Lighting Research Center; Rensselaer Polytechnic Institute (ASSIST): Recommended metric for assessing the direct perception of light source flicker, Volume 11, Issue 3, (PDF; 1,2 MB)
  13. Paul Scheidt: Flimmern bei LED-Leuchten: Muss das wirklich sein?