Messung des Flimmerns bzw. Flickerns in der Allgemeinbeleuchtung
In der Vergangenheit wurden durch die Einführung von elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen in der Allgemeinbeleuchtung Bedenken über das durch die Lampen und die Leuchten selbst verursachte Lichtflimmern weitgehend beseitigt. Durch die zügige Einführung der Festkörperbeleuchtung (SSL) ist das Thema Flickern wieder hochaktuell geworden. Dies resultiert aus der Tatsache, dass das LED-Licht sehr schnell und proportional dem Strom folgt, der durch die LED fließt.
Eine regelmäßige Veränderung der Lichtintensität einer Lichtquelle kann sowohl sichtbare als auch nicht sichtbare schädliche Auswirkungen auf den Betrachter haben. Diese Effekte werden zusammen als "Temporal Light Artefacts" (TLA) bezeichnet.
Defintion von TLAs
CIE TN 006:2016 [1] identifiziert drei Arten von visuell wahrnehmbaren TLAs:
- Flicker bzw. Flimmern: Wahrnehmung von visueller Unstetigkeit, die durch einen Lichtreiz induziert wird, dessen Leuchtdichte oder spektrale Verteilung mit der Zeit fluktuiert. Gilt für einen statischen Beobachter in einer statischen Umgebung.
- Stroboskopischer Effekt: Änderung der Bewegungswahrnehmung, die durch einen Lichtreiz induziert wird, dessen Leuchtdichte oder spektrale Verteilung mit der Zeit fluktuiert. Gilt für einen statischen Beobachter in einer nicht statischen Umgebung.
- Phantom-Array-Effekt (Ghosting): Änderung der wahrgenommenen Form oder der räumlichen Position von Objekten, induziert durch einen Lichtreiz, dessen Leuchtdichte oder spektrale Verteilung mit der Zeit schwankt. Gilt für einen nicht statischen Beobachter in einer statischen Umgebung.
CIE TN 012:2021 [11] gibt eine Hilfestellung zur Messung dieser Messgrößen.
Es wird berichtet, dass nicht-visuelle TLAs verschiedene physiologische und psychologische Auswirkungen haben, wie Migräne, Krampfanfälle, autistisches Verhalten, Schwindel usw. Einen umfassenden Bericht neurophysiologischer Effekte bietet IEEE 1789:2015 [2].
TLAs können durch die interne Treiberelektronik von LED-Lampen und -Leuchten der Allgemeinbeleuchtung sowie durch zugehörige Betriebsgeräte wie Dimmer-Schaltungen verursacht werden. Zusätzlich können TLAs durch vorübergehende Schwankungen in der Netzwechselspannung entstehen. Aktuelle Normen zu Beleuchtungseinrichtungen wie die EN 12461-1 [3] empfehlen die Vermeidung von Lichtflimmern und stroboskopischen Effekten. Bisher sind alle Aussagen zu den Risiken des Flickern und deren Vermeidung reine Empfehlungen. Darum sind IEEE 1789-2015 [2] und (NEMA 77) [4] etwas umstritten. Das US ENERGY STAR-Programm [5] verlangt zwischenzeitlich Tests mit spezifizierten Dimmer-Schaltungen. Forderungen werden auch in Kaliforniens Titel 24: 2016 angegeben. [6]
Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Textes gibt es in Europa noch keine Vorschriften bezüglich der Prüfung und Kennzeichnung von SSL-Produkten in Bezug auf TLA. Ein neuer EN-Standard auf der Grundlage der Empfehlungen von CIE TN 008:2017 [7] wird allerdings kurzfristig erwartet.
Messgrößen der Flicker-Messung
Im Technischen Artikel Einführung in die Messung von Temporal Light Artefacts mit einem BTS-Messgerät finden Sie eine umfassende Beschreibung der verschiedenen Messgrößen, die in bestehenden Veröffentlichungen über die Messung von TLAs genannt werden. Zwei einfache Metriken werden häufig erwähnt:
- Modulationstiefe (engl. modulation depth, MD) oder Flicker-Prozent – Verhältnis aus der Differenz und der Summe der maximalen und minimalen Lichtintensität ausgedrückt als prozentualer Anteil.
- Flicker Index (FI) – Verhältnis der Flächen ober- und unterhalb der mittleren Signalamplitude.
Diese Messgrößen unterscheiden jedoch nicht zwischen Flimmern und stroboskopischen Effekten und berücksichtigen weder den Effekt der frequenzabhängigen Empfindlichkeit noch die Wellenform der Lichtleistung. Es werden zunehmend anspruchsvollere Messverfahren bevorzugt:
Die Ökodesign-Verordnung der Europäischen Kommission für Lichtquellen und separate Vorschaltgeräte [10] trat am 1. September 2021 in Kraft. Die auch als Single Lighting Regulation (SLR) bekannte Verordnung wurde im Februar 2021 überarbeitet und enthält nun verbindliche Grenzwerte von Pst LM < 1,0 für Flicker und SVM < 0,9 für stroboskopische Effekte. An dieser Stelle sei nochmal erwähnt, dass die Begriffe Flimmern und Flickern im deutschsprachigen Raum meist äquivalent verwendet werden.
Messtechnische Umsetzung der Flicker-Messung
Alle oben genannten Metriken (MD, FI, PstLM, SVM und Mp) werden mit dem spektralen Bestrahlungsstäke- und Flickermessgerät BTS256-EF sowie dem Spektralradiometer BTS2048-VL-TEC gemessen und dokumentiert. Zudem auch mit dem für BNC-Detektoren ausgelegten PFL-200. Um SSL-Hersteller hinsichtlich Einhaltung der EMV-Richtlinie (2004/108/EG) zu unterstützen, steht ein gebrauchsfertiges Flicker-Testsystem in Form eines objektiven Flicker-Lichtmessgeräts gemäß IEC TR 61547-1:2017 [9] zur Verfügung:
- Messung des Flickers, der durch die Beleuchtungsanlage bei Beitrieb mit stabilisierter Wechselspannung selbst erzeugt wird
- Messung der Störfestigkeit von Beleuchtungseinrichtungen gegen Schwankungen der Netzwechselspannung.
Der Begriff "Flicker" wird auch im Zusammenhang mit Spannungsschwankungen und daraus resultierendem Flimmern in öffentlichen Hochspannungsnetzen verwendet, die durch an das Netz angeschlossene Geräte verursacht werden. Die IEC 61000-3-3: 2017 befasst sich mit der Begrenzung solcher durch Betriebsmittel verursachten Spannungsschwankungen. LED-Leuchten ≤ 600 W werden als konform angesehen.
- Kurzzeitige Flicker-Bedingung, Pst LM (CIE TN006:2016) [1] Bewertung des wahrgenommenen Lichtflackerns für Frequenzen bis zu 80 Hz.
- Stroboskopische Sichtbarkeitsmessung, SVM (CIE TN006:2016) [1] berücksichtigt Auswirkungen auf das Sehen von sich bewegenden und rotierenden Objekten, wenn diese mit einer Lichtmodulation von bis zu 2 kHz beleuchtet werden.
- ASSIST Flicker Perception Metric, Mp (ASSIST Bd. 11, Iss. 3) [8] beschreibt eine objektive Methode zur Beurteilung der visuellen Wahrnehmung von Flimmern.
Referenzen
[3] EN 12464-1:2011 Light and lighting. Lighting of work places. Indoor work places.
[4] NEMA 77: 2017. Standard for temporal light artifacts: Test methods and guidance for acceptance criteria
[5] ENERGY STAR Method of Measurement for Light Source Flicker
[6] CEC Title 24: 2016. Reference appendices: Appendix JA10 - Test Method for Measuring Flicker of Lighting Systems and Reporting Requirements.
[9] IEC TR 61547‐1:2015. Technical Report: Equipment for general lighting purposes - EMC immunity requirements - Part 1: An objective voltage fluctuation immunity test method