Licht-Flicker bei der LED und was Entwickler beachten sollten

Autor / Redakteur: Thomas Reichelt * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei der LED spielt die Qualität des Lichts eine wichtige Rolle. Lichtflimmern tritt dabei immer mehr ins Bewusstsein. Was versteht man darunter, wie lässt es sich messen und eventuell vermeiden? Ein Überblick.

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Qualität von Licht: Bei der Glühlampe hatte man nicht das Problem, dass diese flackert. Anders bei der LED: Der LED-Treiber ist ein entscheidendes Bauteil, das Einfluss auf Licht-Flicker hat.
Qualität von Licht: Bei der Glühlampe hatte man nicht das Problem, dass diese flackert. Anders bei der LED: Der LED-Treiber ist ein entscheidendes Bauteil, das Einfluss auf Licht-Flicker hat.
(Bild: ©fotomek - stock.adobe.com)

Nie wurde Lichtqualität so intensiv diskutiert. Das Thema beschäftigt Leuchtenhersteller, Lichtplaner und auch die Endanwender immer mehr. In den vergangenen Jahren, insbesondere seit Einführung der LED, steigen die Ansprüche an die Produkte zur Lichterzeugung. Anfänglich freute man sich über wesentlich höhere Lichtausbeuten gegenüber der Glühlampe, gefolgt von immer größerer Lebensdauer. Spätestens seit der Light and Building 2016 ist es die Zusammensetzung des Lichtspektrums, welches sich unter anderem in den Lichtparametern wie Farbtemperatur oder Farbwiedergabeindex ausdrückt. Ein Grund für die steigende Nachfrage nach mobilen Lichtspektrometern.

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Darüber hinaus spielt aber auch die Ansteuerung von LEDs eine große Rolle und hat laut Aussagen von Medizinern einen erheblichen Einfluss auf die Gesundheit der Menschen und Tiere, die sich diesem künstlichen Licht aussetzen. Auf diese Einschränkungen hatte bereits im Jahr 2013 der Verband Baubiologie hingewiesen. Lichtflimmern gewinnt immer größere Aufmerksamkeit. Im folgenden Text gehen wir auf folgende Inhalte im Detail ein:

  • Was unter Lichtflimmern zu verstehen ist,
  • die Besonderheiten, die sich für die LED-Beleuchtung ergeben,
  • Berechnung und Messung von Flickerindikatoren,
  • Grenzwerte von Flickerkenngrößen,
  • flickerfrei Dimmen,
  • Bedeutung für Industrie und Konsumenten und
  • Fazit.

Was man unter dem Begriff des Lichtflimmerns versteht

Konventionell wurde Licht mittels Stromfluss durch einen Glühdraht erzeugt. Ändert der Strom seine Stärke, wie es bei Wechselstrom mit einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz der Fall ist, so zeigt sich maximale Helligkeit, oder die lichttechnische Größe Leuchtdichte, immer bei maximaler Amplitude unabhängig von der Polarität. Somit gilt für einen Sinus mit 50 Hz, dass sich die Helligkeit 100 mal je Sekunde ändert. (= Flimmerfrequenz 100 Hz). Aufgrund der schnellen Änderung kühlt der Glühdraht jedoch in den Nulldurchgängen nicht vollständig ab. Es bleibt durch diese Trägheit durchgängig hell, jedoch entsteht eine überlagerte Lichtwelligkeit von ungefähr 15 bis 25 Prozent ganz abhängig von der Beschaffenheit und Temperatur des Glühdrahtes.

Lichtflimmern kennen wir schon immer. Mit Ausnahme beim Betrieb einer Glühlampe beispielsweise im Auto an einer 12-V-Batterie oder Taschenlampe. Dann ist das Licht vollkommen frei von Schwankungen und verhält sich wie das Sonnenlicht. Überlagert kann es jedoch auch durch Spannungsschwankungen zu kurzzeitigem Flackern von Licht führen. Das jedoch ist nicht unser Thema und wird hier nicht weiter betrachtet, da dessen Einflüsse unterschiedlich sein können und vor allem nicht periodisch. Meist wird der Begriff Flicker dem Begriff Flimmern gleichgesetzt. Einige Experten jedoch beziehen sich bei Flicker einzig allein auf die Spannungsänderungen im Stromnetz, wogegen Lichtflimmern eindeutig der optischen Seite der Lichterzeugung zugeordnet werden kann. Man spricht auch häufig von Lichtwelligkeit. Dabei ist Flicker nur der englische Begriff für Flimmern.

Flimmern auch bei der LED-Beleuchtung

Die LED ist ein Halbleiter und reagiert auf Strom- oder Spannungsschwankungen ohne jegliche Verzögerung. So gibt es sogenannte Hochvolt-LEDs, welche durch Reihenschaltung direkt am Netz mit 230 V betrieben werden können. Entsprechend zeigt sich maximales Flimmern. In der Regel werden zum Betrieb von Power-LEDs sogenannte Konstantstrom-Treiber eingesetzt. Das sind Betriebsgeräte, welche einen konstanten und somit kontrollierten Strom durch die LEDs sicherstellen. Diese Betriebsart ist erforderlich, da aufgrund der nichtlinearen Kennlinie einer LED, bei geringsten Spannungs- und Temperaturschwankungen der Betriebsstrom unkontrolliert ansteigen könnte und somit die LED zerstören würde.

Die Intensität von LED-Licht ändert sich sofort mit Stromschwankungen. Für den Betrieb von LEDs werden Konstantstromquellen eingesetzt. Was wollen wir also mehr? Konstanter Strom = Konstantes Licht und somit auch keine Lichtwelligkeit und kein Flimmern. Das Problem liegt im Detail. Zur Konstantstrom-Erzeugung gibt es viele mögliche elektronische Schaltungen, so beispielsweise Regelschaltungen, welche den aktuellen Strom messen und über Stellglieder nachregeln. Analogie: Sie schaffen es als Autofahrer auch nicht auf einer geraden Straße das Lenkrad absolut still zu halten. Spiel in der Lenkung etc. erfordern auch kontinuierliches Nachregeln.

Diese kleinen Korrekturen sorgen wiederum für geringe Schwankungen des angeblichen konstanten Stromes. In den Datenblättern finden Sie diese Angabe häufig unter der Bezeichnung „Ripple“. Gute elektronische Schaltungen in LED-Treibern liegen bei <3 Prozent. Hier haben sich insbesondere die LED-Treiber des Herstellers TCI hervorgetan. Beim Kauf von Leuchten oder Vorschaltgeräten von LED-Leuchten sollte man auf die auf Angaben zu Ripple oder Flickerfaktoren achten. Allerdings fehlen diese Angaben bei LED-Lampen in den meisten Fällen. Damit wären wir beim nächsten Punkt.

Bewerten und Messen von Flickerfaktoren

Recherchiert man hinsichtlich Flickerfaktoren, so finden sich eine Vielzahl an Kriterien und Berechnungsmöglichkeiten zur Bewertung von Flicker bzw. Flimmer. So werden maximale Helligkeit, minimale Helligkeit, Mittelwert oder auch Flächen oberhalb oder unterhalb eines Mittelwerts in eine Berechnungsformel eingetragen.

Aus verschiedenen anderen elektrotechnischen Bereichen kennt man die Bewertung von maximaler zu minimaler Amplitude (Auslenkung) im Verhältnis zum Summenwert oder Mittelwert bzw. Maximalwert. So wird in der Funktechnik der Begriff Modulationsgrad verwendet. Dieser beschreibt, wie stark die zu übertragenden Information beispielsweise Sprache auf den Hochfrequenzträger auf moduliert wird.

Die gleiche Formel kennt man beim Lichtflimmern als Flicker% (Flicker Prozent oder Percent Flicker). Die Formel lautet: Flicker% = (A - B)/(A + B) * 100% [A =Maximalwert, B = Minimalwert].

Diese Berechnungsformel findet sich auch in der IEEE 1789-2015 und gilt als meist bekannteste und wurde bereits auch in vielen Flickermeter implementiert.

Darüber hinaus sind noch folgende Berechnungsformeln bekannt. Flicker% = (A - B)/A*100% oder auch Flicker% = (A - B)/Mittelwert * 100%. Entsprechend ist es ratsam ggf. beim Vergleich oder Bewertung von Angaben nach der zugrunde gelegten Berechnungsformel zu fragen. Neben dem Wert des Flicker% wird in der IEEE1789-2015 noch der Wert Flickerindex benannt und errechnet sich entsprechend: Flickerindex = Area1/(Area1 + Area2).

Unser Auge bzw. unsere Sinnesnerven reagieren noch auf die Signalform und vor allem die Frequenz der Lichtwelligkeit. Langsame Änderungen nehmen wir bewusst war, wie das Blinken beim Auto. Doch je schneller diese Helligkeitsschwankung geschieht, desto weniger können wir mit unseren Augen dies bewusst wahrnehmen. Man spricht von einer Verschmelzungsfrequenz von ungefähr 80 Hz. So ist auch ein Ferseher mit 100 Hz inzwischen auch nicht mehr mit den alten „Flimmerkisten“ und deren 25-Hz-Vollbildwiedergabefrequenz vergleichbar.

Bisher keine Empfehlungen beim Flicker

Leider wurde festgestellt, dass selbst höhere Flimmerfrequenzen von mehreren 100 Hz immer noch den Menschen situationsbedingt hinsichtlich Konzentration und Gesundheit beeinflussen können. Die Baubiologen waren die ersten, welche sich für ihre Arbeit mit Flicker-/Flimmer-Messgeräten ausgestattet hatten. Nun bewaffnet mit einem Flickermeter sind die meisten schon bei der ersten Messungen überrascht über die große Bandbreite an im Einsatz flimmernder und Discolicht ähnelnder Beleuchtungen. Ein Flicker von 100 Prozent ist sicherlich zu vermeiden und 0 Prozent lässt aufatmen. Es gibt bisher nur Empfehlungen und Anregungen, jedoch noch keine verbindlichen Grenzwerte, welche auch ein standardisiertes Messverfahren voraussetzen.

Aktuell gibt für den europäischen Markt noch keine bindende Vorschrift, welche die Hersteller dazu verpflichtet, Angaben zu Lichtwelligkeit zu machen. Auch sind noch keine Grenzwerte festgelegt. Bein den Messverfahren ist ebenfalls alles offen. Von Seiten des IEEE steht dem Entwickler das Dokument IEEE1789-2015 bereit und es ist anzunehmen, dass IEC mit CIE sich daran anlehnen. Darüber hinaus gibt es ASSIST = Alliance for Solid State Illumination System and Technologies, welche 20 Prozent Flicker bei 100 Hz, sowie >30 Prozent Flicker bei >120 Hz als nicht akzeptabel ansieht.

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Flickerfreie LED und das Thema Dimmen

Die Helligkeit einer LED hängt vom Betriebsstrom ab. Die Treiberschaltung ist so auszulegen, dass abhängig vom Dimmlevel der Strom heruntergeregelt wird. Allerdings ist davon die Elektronik betroffen, will man zeitgleich auch den Wirkungsgrad der Vorschaltgeräte hoch halten. Hinzu kommt, dass der Farbort einer LED abhängig vom Diodenstrom ist. Damit dieser konstant bleibt und es beim Dimmen zu keinen Änderungen der Farbtemperatur kommt, hat sich die Pulsweitenmodulation (PWM) durchgesetzt. Diese Schaltung ist einfach zu realisieren und ermöglicht zudem einen hohen Wirkungsgrad über einen weiteren Regelbereich.

PWM bedeutet, dass der Strom unterschiedlich kurz bzw. lang aus- und eingeschalten wird. Das Tastverhältnis bestimmt die Helligkeit. Achtung: Das Licht durchläuft Maximalwerte von „ganz aus“ bis „vollständig an“. Mit PWM geregeltes Licht zeigt immer 100 Prozent Flicker. In dem Fall ändert sich das Licht zwischen A = 100 Prozent und B = 0 Prozent. Aktuell die einzige Alternative ist, den LED-Strom linear zu regeln. Auch wenn man mit Farbortverschiebungen rechnen muss.

Es ist wahrscheinlich, dass die zukünftigen Grenzwerte abhängig von der Flickerfrequenz definiert werden. Nachstehend ein Auszug des IEEE-Dokuments, der zeigt, wohin die Richtung gehen könnte. Die CIE geht hier den Weg über die SVM- (Stroboscopic-Effect-Visibility-Measure) Empfindlichkeitskurve. Immerhin reagieren einige Hersteller von Vorschaltgeräten. So zeigt sich die Jolly-Serie mit geringer Restwelligkeit (Ripple < 3%) und nimmt LEDclusive zukünftig die T-LED-Serie und weitere Komponenten mit in sein Programm auf. Bei der Serie handelt es sich um linear geregelte Konstantstromquellen.

* Thomas Reichelt ist LED-Spezialist und Eigentümer von LEDclusive in Kempten im Allgäu.

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