Flicker, Stroboskopeffekt und zeitliche Lichtmodulation

Temporal Light Artefacts - TLA

Im folgenden Text werden die beiden alten Flicker Bewertungsmethoden und die neuen Messmethoden vorgestellt. Vorbemerkung: Begriffe wie „flickerfrei“ und „kameratauglich“ sind keine genormten Begriffe. Daher wird nun versucht, eine objektive Bewertung des Themas Flicker darzustellen. Zeitliche Lichtmodulation ist eine Irritation für das menschliche Auge und wird somit immer als störend empfunden. Das Auge hat sich in der Natur über Jahrmillionen an eine allmähliche Zu- und Abnahme der Lichtintensität angepasst, sodass selbst das langsame Flackern einer Kerze beunruhigend wirken kann.

Lichtmodulation kann mit einem schnell bewegten Stab sichtbar gemacht werden. Oben Lichtmodulation, unten kontinuierliches Licht.

Neben dem schnell bewegten Stab gibt es eine weitere Überprüfungsmöglichkeit, die mit einer Handy Kamera durchgeführt werden kann. Sind beim Filmen in die Lichtquelle Streifen am Display sichtbar, dann schwankt der Lichtstrom. Dieser Effekt ist jedoch von der Kamera Elektronik abhängig und kann daher nicht als verlässlich gelten.

Eine Lichtmodulation kann auch bei elektrischen Lichtquellen auftreten. Eine Glühlampe wird aus unserem Stromnetz mit Wechselstrom der Frequenz 50 Hz betrieben. In der doppelten Frequenz also 100 mal pro Sekunde fließt dabei der Strom durch den Wolframglühdraht. Ein Aufglühen und Abkühlen ist die Folge. Die Lichtstromabgabe schwankt. Da der Glühfaden aber sehr träge ist und nur sehr langsam abkühlt, wird diese Lichtmodulation nicht als störend empfunden.

Bei der LED-Technologie ist ein Konverter für die Glättung des Wechselstroms zuständig. Je nach Qualität wird das Signal besser oder schlechter vom Konverter geglättet. Eine LED reagiert sehr schnell, sodass ein Flimmern schnell bemerkbar ist. Minimale Lichtstromschwankungen nennt man Welligkeit oder Ripple, die meist zu keiner Beeinträchtigung führen.

Bsp. A: Glühlampe an Wechselstrom geringe Lichtstromschwankung; Bsp. B: LED Leuchte mit kleinem Ripple: schnelle kleine Lichtstromschwankung

Dimmen CCR vs. PWM

Werden LED-Leuchten mittels Pulsweitenmodulation (PWM) gedimmt, kommt es kurzzeitig zum Ausschalten der LED. Dieser absolute Lichtstromabfall wird als besonders störend empfunden und kann zu Kopfschmerzen, Migräne und sogar zu epileptischen Anfällen führen. Daher sollte jede Art von Dimmern mit PWM nicht verwendet werden. Bei einer Frequenz > 2000 Hz konnte jedoch keine Beeinträchtigung mehr nachgewiesen werden.

Stromabsenkung: Deutlich besser zum Dimmen von LEDs ist die Stromabsenkung geeignet. Hierbei wird die Stromstärke moduliert. Der Vorteil der Stromabsenkung ist das Fehlen von Flimmern und Stroboskopeffekten.

Flicker Prozent

Flicker Prozent oder Modulationstiefe, beschreibt den Abfall des Lichtstroms zum höchsten Wert. Kein Flicker bei 0%, der schlechteste Wert 100%.

Flicker % = 100 (Max - Min) / (Max + Min) = 100 (A - B) / (A + B)

Beispiel: Bei einer Glühlampe fällt der Lichtstrom von 100 auf 85 ab.

Flicker % = 100 x (100 - 85) / (100 + 85) = 8,1%

Bei einer PWM gedimmten LED beträgt der Flicker Prozent bis zu 100% (sehr schlecht). Mittels Stromabsenkung gedimmte LEDs haben nahezu keinen Flicker. Nachteil von Flicker %: Weder die Form der Modulationskurve noch die Frequenz werden berücksichtigt. Es liegt keine genaue Unbedenklichkeitsgrenze vor.

Abb. 1: Flicker

Der Flicker % Wert wird von handelsüblichen „Handheld“ Messgeräten nur im Bereich von 10 bis 165 Hz genau angegeben. Diese einfache Messung erlaubt in den meisten Fällen eine gute Ersteinschätzung. Um höhere Frequenzen zu messen benötigt man ein teures Messequipment.

Die Grafik zeigt die von der IEEE empfohlenen Grenzwerte zum Modulieren des Stroms von LEDs mit hoher Helligkeit, um die Gesundheitsrisiken der Betrachter auszuschließen. Der graue Bereich stellt die empfohlenen Modulationstiefen dar. Im niederfrequenten Bereich bis ~ 90 Hz ist schon eine geringe Lichtmodulation störend. Der störende Einfluss der Lichtmodulation nimmt bis zu einer Frequenz von ~ 2000 Hz ab.

Zu keiner negativen Beeinflussung kommt es beispielsweise wenn der Flicker <8% bei 100 Hz hat. Beispiel: bei 50 Hz soll die Modulationstiefe <1% sein, bei 100 Hz <8% um keine störenden zeitlichen Lichtmodulationen zu erhalten.

Kameratauglichkeit

In der EN 12193, Beleuchtung von Sportstätten, ist unter 7.3.8 für die Übertragung in Super-Slow-Motion folgendes zu finden: Bei integrierten Zeiten von 1/15s bis 1/2000s liefert ein FF < 1 % flimmerfreie Bilder. Falls Leuchten für Filmaufnahmen benötigt werden, kann XAL, auf Anfrage, Konverter liefern, die diesem Kriterium entsprechen.

IEEE (Institute of Electrical Engineers and Electronics) Std 1789-2015

Flicker Index

Der Flicker Index, der von 0 (kein Flicker) bis 1 variiert, misst die zyklische Variation unter Berücksichtigung der Wellenform, definiert als die durchschnittliche Lichtintensität der Wellenformoberfläche dividiert durch die durchschnittliche Lichtintensität über die gesamte Oberfläche, siehe Abbildung 1.

Flicker Index = (Fläche 1) / (Fläche 1 + Fläche 2)

Diese Formel wird durch das Lichtmessgerät berechnet Vorteil: Die Wellenform wird berücksichtigt. Nachteil: Die Frequenz wird nicht berücksichtigt.

Abb. 2: Flicker Index

Neue, verbesserte Messmethode zur Bewertung von Lichtmodulation

PstLM und SVM gültig ab 01. September 2021

PstLM gilt für Frequenzen von 0 bis 80Hz, SVM gilt für Frequenzen von 80-2000 Hz. PstLM: (Kurzzeitlichtmodulation). Die Messgröße für das Flimmern ist der genormte Parameter PstLM, wobei „st“ für „Kurzzeit“ (short term) und „LM“ für „Licht-Modulation steht. Der Wert PstLM = 1 bedeutet, dass ein durchschnittlicher Beobachter das Flimmern mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% erkennt. Der Wert 0 ist sehr gut, der Grenzwert liegt bei ≤ 1, größer 1 ist lt. Ökodesign Verordnung für Lichtquellen unzulässig. Die Kurzzeitlichtmodulation bei einer Frequenz von 0 bis 80 Hz ist eine Flickermetrik, die von den elektrischen Normen zur Bewertung der Netzqualität (IEC 61000) übernommen wurde. Sie verwendet die Zeitbereichsanalyse, um aperiodische Änderungen des Eingangssignals für Frequenzen bis zu 80 Hz durchzuführen.

Nachteil: Da der PstLM-Wert neu ist, liegen noch keine Erfahrungen dazu vor. Ein Wert von ≤ 1 gilt als zulässig. Ein sehr guter Wert ist mit 0 anzunehmen. Der PstLM-Wert ist nicht mit herkömmlichen Messgeräten zu ermitteln. Nur neue, teure Messgeräte sind dafür ausgelegt. Mehr Informationen siehe: CIE TN 006:2016

Stroboskopische Sichtbarkeitsmessung

Stroboscopic effect visibility measure (SVM)

Die stroboskopische Sichtbarkeitsmessung betrachtet den Frequenzbereich von 80 bis 2.000Hz. Die Messgröße für den Stroboskop-Effekt ist die genormte Größe „SVM“. Der Wert SVM = 1 ist die Sichtbarkeitsschwelle für den durchschnittlichen Beobachter. SVM ist eine neue Methodik, die von Philips Research entwickelt wurde, um den stroboskopischen Effekt zu beurteilen, der in Verbindung mit bewegten Objekten und Lichtmodulation in einem bestimmten Frequenzbereich auftreten kann.

Nachteil: (wie bei PstLM) Da der SVM -Wert neu ist, liegen noch keine Erfahrungen dazu vor. Ein Wert von ≤ 0,9 gilt lt. Ökodesign Richtlinie als zulässig. Ab 01.09.2024 muss der SVM-Wert lt. Ökodesign Richtlinie ≤ 0,4 sein. Der SVM-Wert ist nicht mit herkömmlichen Messgeräten zu ermitteln. Nur neue, teure Messgeräte sind dafür ausgelegt. Mehr Informationen siehe: CIE TN 006:2016

Leuchten von XAL sind so konstruiert, dass die Grenzwerte der beiden neuen Messgrößen „PstLM“ und „SVM“ unterschritten werden.

Grafik 3: SVM-Empfindlichkeitsgrenze. Es werden nur die Werte > 80 Hz betrachtet.