Das Lichtflimmern beschreibt Schwankungen in der Helligkeit eines elektrisch betriebenen Leuchtmittels, die durch Konstruktion des Leuchtmittels bedingt sind. Es ist von dem Begriff Flicker abzugrenzen, einer Leuchtdichteänderung durch ungewollte Schwankungen der Netzspannung. Im Englischen gibt es diese Begriffstrennung nicht, häufig wird Flimmern dort mit stroboscopic flicker bezeichnet.
Allgemeines Nach der Erfindung der ersten elektrischen Beleuchtung in Form der Kohlefadenlampe in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und in späterer Folge deren Betrieb mit Wechselstrom wurde das Thema der Flimmerfreiheit und zeitlichen Gleichmäßigkeit des Lichts im „Handbuch der Lichttechnik“ im Jahr 1938 thematisiert.Rudolf Sewig: Handbuch der Lichttechnik. Erster Teil, Springer-Verlag 1938, Nachdruck: ISBN 978-3-642-50384-9. 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 zum Beispiel insbesondere bei Kondensatornetzteilen starkes Flimmern auftreten kann.
Wirkungsweise auf den Organismus Sonnenlicht flimmert nicht, 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 bewegten Maschinen gefährlich ist und deshalb zu vermeiden ist. Die Wahrnehmungsträgheit des Sehens 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.
Die Flimmerfusionsfrequenz oder Flimmerverschmelzungsfrequenz ist die Frequenz, bei der eine Folge von Lichtblitzen als ein kontinuierliches Licht wahrgenommen wird.Holger Luczak: Arbeitswissenschaft. 2. Auflage. Springer Berlin 1998, ISBN 3-540-59138-9. Sie gilt für Stillstand des Auges relativ zur 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.IEEE Standards Association (IEEE-SA): A Review of the Literature on Light Flicker. () Viel häufiger ist die Photosensibilität.
In der Literatur wird unterschieden zwischen:Naomi J. Miller, Michael Poplawski: SSL Flicker Fundamentals and Why We Care. (PDF; 33,9 MB)Mühlstedt, Roßner, Bullinger: Die dunkle Seite des Lichts – Diskomfort durch Flicker bei (LED-)Lichtern im Straßenverkehr in Bezug zu peripheren Flimmerverschmelzungsfrequenzen. ()
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) oder stroboskopischen Effekten führen. Bezüglich „dynamischer“ Perlschnurverschmelzungsfrequenzen existiert eine Forschungslücke, das muss im Detail weiter wissenschaftlich untersucht werden. Nach DIN 12464-1 verursacht Flimmern Störungen und kann physiologische Effekte wie Kopfschmerzen hervorrufen.DIN EN 12464-1: Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten – Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen, Ausgabedatum: August 2011, http://www.beuth.de/de/norm/din-en-12464-1/136885861 Stroboskopeffekte können gefährliche Situationen erzeugen, indem sie die Wahrnehmung rotierender oder sich hin und her bewegender Maschinenteile ändern.
Messverfahren
Messgeräte Einer V-Lambda-korrigierte Fotodiode beschränkt das Messlicht auf den sichtbaren Lichtanteil unter Berücksichtigung der Hellempfindlichkeit des Auges. Sie wird an einem Transimpedanzverstärker betrieben. So entsteht eine lichtproportionale Spannung, die an einem Oszilloskop angezeigt und bewertet werden kann.
Ein Analog-Digital-Umsetzer kann dazu dienen, den Lichtverlauf in einem Computer auszuwerten. Mit einer Abtastfrequenz von beispielsweise 200 kHz und einem Dynamikumfang von beispielsweise 12 Bit (1:4000) erfasst ein MessgerätGigahertz-Optik Typ BTS256-EF, abgerufen am 9. November 2021. zum Beispiel 50 ms bis zu 10 Sekunden, um auch Flicker mit niedriger Frequenz <1 Hz messen zu können.
Ein -Tiefpass-Filter dient ggf. der Einhaltung des Abtasttheorems (Nyquistfrequenz), abhängig von der Abtastfrequenz der digitalen Datenerfassung (Antialiasing): elektronische Vorschaltgeräte, die beispielsweise mit etwa 48 kHz arbeiten, könnten sonst Artefakte verursachen.
Berechnungsverfahren 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 und Kontrast von dunkelstem zu hellstem Wert Flimmergrundfrequenz Kurvenform (Frequenzanteile) Stroboskopeffekt (Anteile völliger Dunkelheit), (phantom array effect), Perlschnureffekt Menschliche Wahrnehmungsschwelle abhängig von Amplituden und Flimmerfrequenzen Betriebsarten (gedimmt, ungedimmt)
Berechnungsverfahren im Zeitbereich Im Zeitbereich durchgeführte Analysen werten die in kurzen Abständen gemessene Helligkeit aus und geben Kontrastverhältnisse an. Kontrastmethode (Wechselanteil) Die Firmen Admesy B.V.admesy.nl und CHROMA ATE INC 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 Das etwas verbreitete Messverfahren nach IES: RP-16-10 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 SystemsViso Systems: flicker-tester, https://www.visosystems.com/products/flicker-tester/ verwendet diese Berechnung, aber sie hat entscheidende Nachteile, die zu Fehlmessungen und damit zu Fehlentscheidungen führen können:
Lampen mit elektronischen Vorschaltgeräten 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.
Berechnungsverfahren im Frequenzbereich Für die Auswertung im Frequenzbereich wird das Messsignal einer Fourier-Transformation unterzogen und mit seinen Frequenzanteilen und deren Amplituden dargestellt. Es entsteht ein Spektrum, die Flimmergrundfrequenz und weitere Frequenzkomponenten bei nicht sinusförmigen Verlauf gehen in die Berechnung ein.
JEITA- und VESA-Methode Für die JEITA-Methode wenden die Firmen Admesy B.V. und CHROMA ATE INC 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) und der Perlschnureffekt unberücksichtigt.
Berechnung nach LRC Die Gruppe ASSIST des Lighting Research Center wendet auf die mit 2 kHz abgetasteten Werte die Diskrete Fourier-Transformation an.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) 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) und der Perlschnureffekt unberücksichtigt.
Berechnung als CFD Der Kompaktflimmergrad Compact Flicker Degree wendet auf die mit min. 20 kHz für 1 s abgetasteten Einzelwerte die Diskrete Fourier-Transformation an und bewertet die Frequenzanteile frequenzabhängig. Der quadratische Mittelwert aller bewerteten Frequenzanteile bildet den CFD-Messwert als Prozent-Einheit. Dimmbare Leuchtmittel werden mit 25 % der maximalen Lichtemission ein zweites Mal vermessen und der höhere (schlechtere) von beiden (gedimmt, ungedimmt) gilt als Endwert. Durch den großen Frequenzbereich für die frequenzabhängige Bewertung werden alle bekannten auf Menschen wirksamen Effekte berücksichtigt (z. B. gilt Stroboskoplicht mit 2 kHz lange nicht als flimmerfrei). Eine 5-stufige Kategorisierung nach dem Ampelverfahren ermöglicht Kennzeichnung und Beurteilung.
Berechnung als PstLM und SVM Der Parameter PstLM beschreibt den kurzfristigen (short term) Wert des Lichtflimmerns. Dieser beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Flimmern wahrgenommen wird und wird so normiert, dass bei PstLM=1 dies mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % passiert.
Die Sichtbarkeit des Stroboskopeffektes kann durch den Parameter SVM (stroboscopic visibility measure) ausgedrückt werden. So liegt „die Sichtbarkeitsschwelle für einen durchschnittlichen Beobachter“ bei SVM=1.
Diese Komponenten werden von der CIE (Internationale Beleuchtungskommission) unter dem Begriff Temporal Light Artifacts (TLA) zusammengefasst. der Frequenzbereich bis 80 Hz wird durch den PstLM basierend auf IEC/TR 61547-1, IEC 61000-4-15 und IEC/EN 61000-3-3 abgedeckt. den Frequenzbereich ab 80 Hz bis 2 kHz deckt der SVM gemäß CIE TN 006:2016 ab (Diskrete Fourier-Transformation und frequenzabhängige Gewichtung). Die SVM-Messmethode (Stroboscopic Effect Visibility Measure) erfasst auch das Flimmern mit der doppelten Netzfrequenz. Nachteilig ist die notwendige Kommunikation zweier Werte, um zu einer Gesamtaussage über das Flimmern einer Lichtquelle zu kommen.
Grenzwerte