Den Flimmerkisten auf den Zahn gefühlt

Das Lichtflimmern (Wiki) beschreibt den Wechselanteil des emittierten Lichts eines elektrisch betriebenen Leuchtmittels, der durch den Wechselanteil des elektrischen Stroms verursacht wird, der durch das Leuchtelement des Leuchtmittels fließt.
Dieses im weiteren Verlauf genannte 'Leuchtmittel' kann prinzipiell jede Lichtquelle sein, so auch Computermonitore, Fernseher usw.

Lichtflimmern (optisches Lichtflimmern) wird auch Temporal Light Artefact (TLA) oder Lichtmodulation genannt.

Lichtflimmern ist nicht zu verwechseln mit unregelmäßigem niederfrequentem "Flackern", wie bei Wachskerzen.

Das Maß ist mit dem CFD bestimmbar.

 Im Gegensatz zum Glühlicht, das den Temperaturanstieg / abfall als Trägheitselement besitzt, folgt das emittierte Licht der LED präzise dem Verlauf des Stroms mit der sie gespeist wird.  

LED-Leuchtmittel benötigen also einen Gleichstrom.

 Dafür zuständig ist die sog. Vorschalt-Elektronik, deren Qualität darüber bestimmt, wie gut die Lampen hinsichtlich des Flimmergrads sind. Alternativ zum Gleichstrom kann die LED mit hochfrequentem (> 30kHz für das Auge nicht wahrnehmbar) Wechselstrom getaktet werden. Ist quasi keine Vorschaltelektronik vorhanden, dann flimmern die Leuchtmittel meistens mit der doppelten Netzfrequenz (wie Glimmlampen). Eine ausreichende Beschaltung kostet aber Geld, was sich bei China-Billig-Produkten quasi von selbst verbietet.

Kurzum: Je nach Auslegung der Vorschaltelektronik können die Leuchtmittel beliebig flimmern.
 
Da es aber weder auf der Verpackung noch in den technischen Daten von Leuchtmitteln Angaben über den Flimmergrad gibt, tappen sowohl Händler als auch Kunden im Dunkeln. Nur der Hersteller weiß wirklich was er er tut und anbietet.

 

Der Mensch braucht hierzu eine kunden-/verpackungsfreundliche Einzelangabe in Prozent (oder keine Einheit), so dass eine leichte Kaufentscheidung gefällt werden kann.

 

Der Flimmergrad muss mindestens folgende Eigenschaften berücksichtigen:

  • Flimmeramplitude
  • Kurvenform
  • Flimmerfrequenzen, die möglichst der Wahrnehmbarkeit nach gewichtet werden.
  • Stroboskopeffekte

 

Grafik des Flimmergrades einer E27 Glühbirne. Der von Lichtpeter gemessene CFD liegt in der Grafik bei 5,9%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zum Vergleich (und was kaum jemand weiß):

Auch normale Glühlampen flimmern bis zu einem bestimmten Grad, weil sie entgegen Edisons Idee mit Wechselspannung 230V/50Hz betrieben werden. Der CFD liegt zwischen 5% und 10% (hier 5,9%). Wir sind dieses geringe Flimmern gewohnt, es schadet gemäß der Erfahrung nicht und liefert somit die Referenz für LED-Retrofits.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Der Flicker index liegt bei sehr schlechten Leuchtmitteln (hier eine üble LED-Filament-Birne) über 0,5  was dann deutlich macht, dass es sich dabei um solche mit starkem Stroboskop-Effekt handelt:

Sie sind im Betriebszustand teilweise länger stockdunkel, als hell, und das im Wechsel mit der doppelten Netzfrequenz.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hier das Lichtemissions-Beispiel einer sog. treiberlosen LED-Leuchte, deren Flicker index zwar unter 0,3 liegt aber der CFD über 50%. Auch hier ist Stroboskopflimmern vorhanden. Meistens ist gedimmt nur ein Teil dieser Kurve vorhanden, also noch viel schlimmer als dieses Bild. 


Negative Folgen des Stroboskopeffekts

Nach Lichtgenuss der Stroboskop-Leuchtmittel über Stunden hinweg kann neben Kopfweh und anderen Beschwerden einem auch mal übel werden, im schlimmsten Fall kommen Epilepsie-Anfälle vor. Ganz besonders auffällig ist die Wahrnehmung von sich bewegenden oder gar rotierenden Teilen. Eine einfache Handbewegung wird wie hier beschrieben nicht mehr richtig wahrgenommen, sondern die Hand erscheint mehrfach an anderen Stellen. Jede Kopfbewegung kann zur Beeinträchtigung der Orientierung bis hin zu Schwindelgefühlen führen. Und dass es solche Leuchtmittel zu kaufen gibt, habe ich im Mai 2015 selbst erfahren. Noch nie seit der Erfindung der Glühlampe hat es hinsichtlich des Flimmerns so schlechte Qualität gegeben. Auch die Bewertungen in Online-Shops spiegeln die Diskrepanz zwischen flimmernden und flimmerarmen Leuchtmitteln wider.

Am 20.09.2015 habe ich erstmals die flimmerndste Möglichkeit von Licht vermessen: Nadelimpulse mit einem Schreckenswert von sage und schreibe CFD = 124% !!! Ausschließlich brauchbar für Stroboskopeffekte in der Diskothek, da hat man im Handstreich 20 Finger.

 

 

Meine Recherchen haben ergeben, dass es leider kein Messgerät gibt, das die oben genannten Kriterien erfüllt und sofort anzeigt wie hoch der Flimmergrad ist. Es gibt einige Geräte, die nach dem sich etwas etablierten Verfahren der Illuminating Engineering Society IES : RP-16-10 den sog. Percent flicker und den Flickerindex bestimmen.

Dieses Verfahren hat aber entscheidende Nachteile:

- Die Flimmer-Grundfrequenz wird nicht berücksichtigt.
- Es werden zwei Werte ('Percent Flicker' und 'Flicker Index') angegeben, die erst in gemeinsamer  Betrachtung eine gut/schlecht-Entscheidung bringen. Es gibt aber nicht einmal einen Ansatz darüber wie.

Das ist für den Anwender nicht handhabbar und für eine technische Angabe ungeeignet.


Das weltweit erste sinnvolle Messverfahren zur Vermessung von Lichtmodulation: DER CFD

Die von Mitte Juni 2015 bis Ende August 2015 andauernde Arbeit einer Literaturrecherche zusammen mit einer kritischen Bewertung und einem resultierenden Messvorschlag habe ich abgeschlossen. Sie liefert ein vernünftiges Messverfahren resultierend in einem einzelnen Messwert mit (Ampel)Bewertung, der in den technischen Daten und letztlich auf der Verpackung landen kann. Seit Oktober 2015 ist das weltweit erste sinnvolle Messverfahren zur Vermessung von Lichtmodulation da:

Der Kompaktflimmergrad (engl. Compact flicker degree), Abk.: CFD

 

Für Leuchtmittelhändler und ggf. Endverbraucher führe ich Messungen durch. Dazu habe ich einen prozessorgesteuerten Halbautomaten entwickelt, der alle Einstellungen z. B. auch das Dimmen übernimmt.

 

Hier zeige ich kurz auf, welche Messverfahren mir durch meine Literaturrecherche bekannt wurden:

 

a) Messverfahren (Signalaufbereitung, -vermessung)
Zur Messung des Lichtsignals ist eine spezielle elektronische Schaltung aufgebaut, nämlich eine V(λ)-Fotodiode direkt an einen einstellbaren Transimpedanzverstärker, der den Fotostrom in eine Spannung umwandelt. Dahinter liegt ein Antialiasing-Filter (Tiefpass) mit einer Grenzfrequenz passend zur Abtastung. Das Ausgangssignal wird durch ein DSO vermessen. Je nach Berechnungsverfahren wird das Signal mit 2 kHz bis 1 MHz abgetastet. Die Messdauer sollte min. 1 Sekunde betragen.
Mein System tastet mit 500 kHz für 1s ab, d. h. es entstehen 500000 Messwerte.

 

b) Berechnungen

Es gibt verschiedene Verfahren zur Berechnung des Flimmerns aus dem vermessenen Signal. Die meisten sind zeitbasierte Verfahren, die das Frequenzspektrum und damit die Kurvenform und die Grundfrequenz nicht berücksichtigen.

 

b1) Zeitbasierte Berechnungsverfahren

 

b1.1) Kontrastmethoden, die Minimal-, Maximal- und RMS-Werte verwenden:
Die Firmen Admesy B.V. und CHROMA ATE INC beschreiben ein Verfahren, welches den Wechselanteil (Max−Min oder RMS) der Lichtemission zum Gleichanteil (Mittelwert oder ½Max+½Min) ins Verhältnis stellt.

Der Dipl.-Ing. Dominik Schuierer verrechnet gemäß dieser Webseite Vpp/Vrms um den Flimmergrad zu ermitteln.

b1.2) nach IES: RP-16-10:

b1.2.1) Das Flimmern in Prozent berechnet sich zu: (Maximum - Minimum) / (Maximum + Minimum).
b1.2.2) Der Flimmerindex berechnet sich aus der Kurve zu: (Fläche oberhalb des Mittelwertes) / Gesamtfläche.

 

b2) Frequenzbasierte Berechnungsverfahren

Diesen Verfahren ist gemein, dass sie die Messpunkte einer Fourieranalyse unterziehen und dann weitere Berechnungen aufsetzen.

b2.2) JEITA- und VESA-Methode

Die Firmen Admesy B.V. und CHROMA ATE INC wenden auf die Frequenzanteile eine frequenzabhängige Bewertungskennlinie an, die alle Frequenzen ≥ 65 Hz mit 0 bewertet. Dadurch bleiben Kurvenformen und das Hauptproblem des Flimmerns mit der doppelten Netzfrequenz unberücksichtigt.

b2.3) IEEE 1789

Nach IEEE 1789 gibt es frequenzabhängige Grenzwerte für die Einteilung einer Lichtquelle in RP1="empfohlen" und RP2="ohne Einfluss".
RP1 ist erfüllt, wenn die Modulation unter 90 Hz den Wert 0,025×f sowie zwischen 90 Hz und 1250 Hz den Wert 0,08×f unterschreitet.
RP2 ist erfüllt, wenn die Modulation unter 90 Hz den Wert 0,01×f sowie zwischen 90 Hz und 3000 Hz den Wert 0,0333×f unterschreitet.
Physiologisch unplausibel ist bei 90 Hz der Sprung um den Faktor 3,3.
Es macht IEEE 1789 auch keinen Unterschied, ob das Licht impuls-, sinus-, oder rechteckförmig ist, in der Praxis aber sehr wohl.

b2.4) Berechnung nach LRC

Die Gruppe ASSIST des Lighting Research Center bewertet die gewonnenen Frequenzanteile nach einer Kennlinie, die sich an die Flimmerfusionsfrequenz anlehnt. Aus der Bildung des Effektivwertes (quadratischer Mittelwert) der bewerteten Frequenzanteile entsteht ein sog. „metrischer Wert“, welcher wiederum einer weiteren Bewertungsformel unterzogen wird, aus der die Nachweiswahrscheinlichkeit des Flimmerns in Prozent angegeben wird. Auch hier bleibt durch die ungeschickte Wahl der nach oben begrenzten Flimmerfusionsfrequenz von 70 Hz das Hauptproblem des Flimmerns mit der doppelten Netzfrequenz unberücksichtigt.

b2.5) Berechnung nach California Energy Commission Title 24 JA 10  (kurz CAT24JA10) angewendet durch UL.

Seit Mitte April 2016 vergibt die UL ein Prüfzeichen für 'flimmerarm' (low flicker mark).

Prizipiell werden nach diesem Verfahren alle Lichtemissionen als flimmerarm bezeichnet, die entweder über 200 Hz liegen oder unter 200 Hz eine Modulation (%Flicker) von weniger als 30% haben. Dabei passiert es allerdings, dass z. B. niederfrequente Emissionen von ca. 30 Hz, 15%, die von jedem deutlich als starkes Flimmern wahrgenommen werden, als flimmerarm gelten. Der Lichtpeter kann in der Dienstleistung in Aussicht stellen, ob die UL das Zertifikat vergeben würde.

b2.6) Berechnung nach der Internationalen Beleuchtungskommission CIE, Lichtabteilung, praxisnah erklärt in einem Webinar: Die CIE prägt den Begriff Temporal Light Artifacts (TLA), welcher sich im Frequenzbereich bis 50 Hz "PST" nennt und im Frequenzbereich ab 80 Hz bis 2 kHz "SVM" nennt.

Hier wird zwar der Bereich von 10 Hz bis 2 kHz überstrichen, aber Nachteile sind hier die nicht geschlossene Lücke zwischen 50 Hz und 80 Hz sowie die Problematik der notwendigen Kommunikation zweier Werte um zu einer Aussage zu kommen. Beide müssen unter 1.0 liegen, um das emittierte Licht als nicht wahrnehmbar zu klassifizieren. Die in der Kommission beteiligten Firmen Phillips, Osram, SEU(CN), Chroma(TW), PNNL(US), ETSIB(ES) forcieren dieses Verfahren, weswegen es trotz der Nachteile zu einer Norm werden könnte.

b2.7) Der Lichtpeter: CFD

Ganz genau lässt sich das Lichtflimmern mit dem frequenzbasieren CFDFB berechnen, den Der Lichtpeter in allen Bewertungen und Messprotokollen angibt. Er ist mit einem leistungsfähigen Rechner und einer dafür speziell entwickelten Software ermittelbar.
Die Berechnung des CFD erhält seiner Komplexität wegen eine eigene Seite.

An dieser Stelle also nur eine kurze Zusammenfassung:

- Die Messreihe wird per Diskreter oder einer Fast Fourier Transformation in die Frequenzanteile zerlegt.

- Die komplexen Frequenzanteile werden in Frequenz-Amplitudenwerte umgerechnet.

- Die Amplitudenwerte werden auf die DC-Komponente normalisiert.

- Die normalisierten Werte werden wahrnehmungs-frequenzabhängig mit einer speziellen Polynomfunktion bewertet.

- Aus den bewerteten Anteilen wird der quadratische Mittelwert gebildet und in Prozent umgerechnet.

- Das Ergebnis ist der CFDFB, der generell mit CFD kommuniziert wird.

- Der CFD ist ein einzelner %-Messwert, der alle Frequenzen von 10 Hz bis 250 kHz berücksichtigt.


Mit dem Kompaktflimmergrad CFD allein wird allen wichtigen Ansprüchen zur Bestimmung Lichtflimmerns Rechnung getragen:

1) Bei reinem Gleichlichtstrom ist der Kompaktflimmergrad 0.

2) Für ein 100-Hz-Sinus darf man näherungsweise annehmen: CFD Modulationsgrad / 2.
3) Bei einem 100-Hz-Rechteck im Tastverhältnis von 50% / 50% ist der Kompaktflimmergrad ca. 70%.
4) Bei nichtsinusförmigen Verläufen (z. B. Nadelimpulsen) ist er je nach Tastverhälnis >100%
5) Er reagiert auf die Signalform und den Stroboskopeffekt
6) Er berücksichtigt die Flimmergrundfrequenz, bei der 100Hz neutral ca. mit Faktor 1 eingehen.

7) Durch die Einrechnung von Frequenzen bis 20 kHz wird auch der Perlschnureffekt berücksichtigt.
8) Der Kompaktflimmergrad ergibt eine einzelne für den Anwender einfach zu handhabende und

 vertraute Größe. So passt er gut zu den technischen Daten und prima auf die Verpackung.


Nur das Berechnungsverfahren nach CAT24JA10 (s.o.) kommt seiner Qualität nach dem CFD etwas näher.

An über 700 Messungen der über 500 vermessenen Leuchtmitteln sieht man:

Die Korrelation zwischen CFD bei etwa 10% = "gut" (flimmerarm) und UL "Low Optical Flicker" liegt bei über 95%. Dies liegt auch daran, dass die meisten Leuchtmittel bei

100 Hz flimmern, was beide Verfahren an dieser Stelle in ähnlicher Weise berücksichtigen.

 

Damit ist gezeigt, dass der CFD als Messgröße für das Lichtflimmern gegenüber dem CAT24JA10-Verfahren hervorragend ist. Denn der CFD liefert einen echten Messwert gegenüber einem einfachen "Low flicker pass / fail".

Der CFD wurde erstmals von Leuchtmittel-Inverkehrbringern in die technischen Daten aufgenommen, noch bevor eine Angabe zum Flimmern von irgend einem anderen Hersteller/Inverkehrbringer angegeben wurde.


Der Kompaktflimmergrad

 Der Kompaktflimmergrad ermöglicht dem Kunden das Leuchtmittel einfach zu beurteilen. Auf dieser Seite zur CFD-Berechnung  wird der CFD nach dem Ampelsystem in 5 Kategorien gestaffelt.

 

Nach diesem CFD-Algorithmus habe ich auch etliche künstliche Signale (z. B. die aus diesen Dokumenten) gestestet und stelle fest, dass alle Werte mathematisch plausibel sind. Entsprechend liefern auch die über 500 vermessenen Leuchtmittel plausible Werte und passen zu dem angegebenen Verhalten der 5 Kategorien.

 

Man kann sich hier mit den Schnelltests selbst einen Erste-Hilfe-Überblick darüber verschaffen, ob das Leuchtmittel zu stark flimmert.

 

Seinerzeit gab es für LED-Lampen auch keine Angabe über Farbtemperatur in Kelvin oder den Farbwiedergabeindex in Ra. Wenn einer der Werte heute fehlt, dann kaufe ich nicht (und wohl auch sonst kaum jemand).

Das soll für das Lichtflimmern auch so werden,  jeder Hersteller sollte ihn in den technischen Daten angeben.

Ist der Flimmergrad niedrig, dann ist das ein gutes Verkaufsargument. Fehlt er dagegen, dann kann das als minderwertige Qualität ausgelegt werden.

 

Man sollte sich vom Händler den Flimmergrad angeben lassen.
Wenn er die Information nicht geben kann: Nicht kaufen.

Alternative: Kaufen, von Der Lichtpeter vermessen lassen und ggf. zurück geben.

Mehr zum Thema Flimmern gibt's auf Wikipedia und in diesem Flimmer-Blog von Wolfgang Messer.