Flackernde, stroboskopische oder flimmernde Beleuchtung ist ein Phänomen, bei dem die Lichtintensität (oder ihre spektrale Zusammensetzung oder räumliche Verteilung) im Laufe der Zeit variiert und der Benutzer diese Variation direkt als störende Wahrnehmung oder indirekt als optische Täuschung wahrnimmt.

 

Biologische Auswirkungen

Einige Krankheiten zeichnen sich durch eine verstärkte Erfassung des Rhythmus des vorbeiziehenden Lichts durch die Gehirnwellen aus. Periodische Lichtveränderungen können bei Menschen mit der seltenen lichtempfindlichen Epilepsie einen Anfall auslösen. Eine Empfindlichkeit gegenüber kontrastierenden periodischen Mustern im zeitlichen und räumlichen Bereich ist auch bei Migräne beschrieben worden. Unregelmäßiges Licht bewirkt auch eine Erweiterung der Blutgefäße im Auge und erhöht den Blutfluss durch die Netzhaut [1], was darauf hindeutet, dass das Auge bei einer solchen Exposition mehr Energie verbraucht. Blinkendes Licht wird auch mit visueller Ermüdung, einer Abnahme der Arbeitsleistung oder einer schlechteren subjektiven Bewertung der Beleuchtung in Verbindung gebracht.

 

Stroboskopisches Phänomen

Wenn rotierende Objekte mit einem weichen Licht beleuchtet werden, kann ein stroboskopischer Effekt auftreten, bei dem der Beobachter den Eindruck hat, dass das beobachtete Objekt ruht oder sich mit einer geringeren Geschwindigkeit oder in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Aufgrund dieser Fehlinformation kann er z. B. ein rotierendes Teil einer Werkzeugmaschine oder die Schaufel eines laufenden Ventilators berühren und sich dabei verletzen. Die geradlinige Bewegung periodischer Strukturen kann bei schwachem Licht ruckartig erscheinen, was die Aufmerksamkeit von der ausgeführten Tätigkeit ablenkt.

 

Eine Reihe von scheinbaren Bildern

(Geisterbilder, Phantombild)

Befindet sich eine vorbeilaufende Lichtquelle oder ein auf diese Weise beleuchtetes Objekt im Blickfeld, werden die einzelnen Abschnitte der Netzhaut bei der Bewegung des Auges unterschiedlich stark belichtet. So erscheinen zum Beispiel die blinkenden LED-Bremslichter eines Autos bei schnellen (sakkadischen) Augenbewegungen als eine intermittierende Serie von Scheinbildern, die den Fahrer überraschen, seine Aufmerksamkeit kurzzeitig fixieren und so die Reaktionszeit erhöhen können.

 

Anmeldung

Aber auch das flackernde oder blinkende Licht hat seine Berechtigung. Der Stroboskopeffekt wird z. B. zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung, zum Einstellen von Motoren, zur Untersuchung von Stimmbändern, zur Erzeugung des Effekts einer gestaffelten Bewegung bei Tanzvorführungen oder in Diskotheken eingesetzt. Dank der synchronisierten Blitze können schnelle Aktionsphasen fotografiert oder gefilmt werden. Flimmerndes Licht wird zur Aktivierung von Gehirnströmen im EEG eingesetzt. Es ist bekannt, dass Blinklicht bei älteren Menschen die Ergebnisse von kognitiven Tests leicht verbessern kann. Audiovisuelle Stimulationsgeräte (AVS, Psychowalkmans) arbeiten nach dem Prinzip des Blinklichts in Kombination mit Ton. Neuere Forschungen weisen auf die Möglichkeit hin, Blinklicht bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit einzusetzen [2].

 

Zeitliche Lichtartefakte (TLA)

Diese englische Sammelbezeichnung wird für Phänomene verwendet, die mit der Wahrnehmung von zeitlichen Veränderungen der Beleuchtung zusammenhängen. Dabei kann es sich um Veränderungen der Intensität, der Farbigkeit oder der spektralen Zusammensetzung handeln.

 

Normen

Die Norm [3, S. 17] fordert, dass Beleuchtungsanlagen so ausgelegt sein müssen, dass Flimmern und Stroboskopeffekte vermieden werden. Mit elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen konnte diese Forderung als erfüllt angesehen werden, aber mit dem Aufkommen der Leuchtdioden (steile Volt-Ampere-Kennlinie; der Lichtstrom folgt sehr schnell den Stromänderungen) und der großen Vielfalt ihrer Stromversorgungsschaltungen ist sie wieder in den Fokus gerückt.

Flicker (auch flikr)

Nach [4, S. 28] ist Flimmern eine Empfindung instabiler visueller Wahrnehmung, die durch einen Lichtreiz verursacht wird, dessen Helligkeit oder spektrale Verteilung sich im Laufe der Zeit ändert. Diese Begriffe werden in den Bereichen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und der Netzqualität (PQ) verwendet.

Scrambling

Nach [5, S. 45] ist Flimmern ein subjektiver Eindruck von Instabilität in der visuellen Wahrnehmung, der durch einen Stimulus verursacht wird, dessen Helligkeit oder spektrale Zusammensetzung variiert. Es wird in der Beleuchtungstechnik verwendet.

Im Englischen werden beide als Flicker bezeichnet und beide Definitionen sind im Englischen gleich. Die Definition nach der CIE-Empfehlung [6, S. 7] fügt die Bedingung eines statischen Beobachters in einer statischen Umgebung hinzu.

Die Norm [7, S. 57] definiert Mischen als die Änderung des Lichtstroms einer Lichtquelle oder Leuchte aufgrund von Spannungsschwankungen ihrer Stromversorgung.

Sichtbarkeit von Pässen

Ein Durchgang kann beobachtet werden, wenn seine Frequenz niedriger ist als die Zusammenführungsfrequenz. Diese beträgt unter normalen Bedingungen (einige hundert Lux) etwa 40 bis 50 Hz. Ein Grenzwert (für höhere Lichtverhältnisse) wird mit 60 bis 90 Hz angegeben. Oberhalb der Überlauffrequenz nach dem Talbotschen Gesetz wird nur der Mittelwert des fluktuierenden Reizes registriert. Menschen sind am empfindlichsten für Flimmerfrequenzen von 7 bis 13 Hz, siehe Abbildung 1.

Abb. 1: Frequenzabhängigkeit der Modulationstiefe, bei der das Flimmern an der Grenze der Beobachtbarkeit liegt - ein niedrigerer Wert steht für eine höhere Empfindlichkeit [7, S. 49].

Im Feld des scharfen Sehens nimmt man rotes Lichtflimmern am stärksten wahr, im peripheren Feld dominiert blaues Lichtflimmern. Die unterschiedlichen zeitlichen Reaktionen des Sehapparates auf einzelne Farben werden durch ein Experiment namens Fechner-Farben veranschaulicht, bei dem beim Betrachten eines rotierenden Schwarz-Weiß-Musters eine Farbwahrnehmung auf der Netzhaut erzeugt wird.

Der Beobachter wird das Flimmern eher im reflektierten Licht oder als Störung im peripheren Gesichtsfeld wahrnehmen. Schaut man jedoch direkt auf eine vorbeilaufende Lichtquelle oder Leuchte, ist das Vorbeiflimmern möglicherweise nicht erkennbar. Oberhalb der Flimmerfrequenz sind die Lichtschwankungen nicht mehr direkt sichtbar, sondern können als stroboskopisches Phänomen (wenn sich ein Objekt bewegt) oder als eine Reihe von scheinbaren Bildern (wenn sich das Auge des Beobachters bewegt) beobachtet werden. Die Grenzfrequenz wird gewöhnlich mit 3 kHz angegeben.

Elektrische Ursachen

Die elektrischen Ursachen der Lichtstreuung, die von Lichtquellen und Leuchten erzeugt werden, können wie folgt unterteilt werden:

- in einem störungsfreien Zustand:

• die durch Schwankungen oder Änderungen der Versorgungsspannung (Netzspannung) verursacht werden,
• die durch die tatsächliche Konstruktion oder die interne Verdrahtung der Lichtquelle oder Leuchte, ihrer Bauteile oder durch Interferenzen zwischen ihren Bauteilen verursacht werden;

- Schaltversagen unter normalen Stromversorgungsbedingungen (z. B. Ende der Lebensdauer der Lichtquelle, Degradation eines Stromversorgungsbauteils).

 

Qualität der Stromversorgung

Unter dem Gesichtspunkt der Netzqualität ist es wünschenswert, dass die Versorgungsspannung keine Wellenformen enthält, die ein Flackern der Beleuchtung verursachen. Dabei handelt es sich insbesondere um Phänomene, die den Spitzenwert der Spannung beeinflussen, wie normale Schwankungen der Spannungshöhe, schnelle Spannungseinbrüche und -anstiege oder interharmonische Komponenten. Für Einzelheiten wird der Leser auf die EN 50160, die Regeln für den Betrieb von Verteilungsnetzen und ihre Anhänge, oder auf die Unternehmensnormen PNE 33 3430 oder die internationale Norm IEEE Std 1453™ verwiesen.

 

EMV von Leuchten

Aus konstruktiver Sicht ist es wünschenswert, dass die Leuchten und ihre einzelnen elektrischen Komponenten ausreichend widerstandsfähig gegen Störungen aus dem Stromnetz sind, gleichzeitig aber nicht mehr als vertretbar dazu beitragen. Die elektromagnetische Störfestigkeit von Leuchten ist in der Norm EN 61547 festgelegt, die unter anderem Folgendes umfasst

Anforderungen an das Verhalten der Betriebsmittel bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen. Die Begrenzung von Spannungsschwankungen, Spannungsschwankungen und Flicker, die von an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossenen Geräten erzeugt werden, wird in EN 61000-3-3 und -11 behandelt, aber Leuchten und Lichtquellen werden normalerweise nicht als Quellen dieser Arten von Störungen betrachtet.

 

"Selbstmischung"

Selbst wenn die Anforderungen an die Netzqualität und die elektromagnetische Verträglichkeit erfüllt sind, kann es sein, dass der Nutzer mit der Beleuchtung in Bezug auf die Mischung nicht zufrieden ist. Dies kann an der Konstruktion des verwendeten Netzteils liegen - in Kombination mit dem schnellen Ansprechverhalten der Leuchtdioden. Das Netzteil kann ein Bestandteil der Leuchte sein, eine separate Einheit (Adapter) oder in die Lichtquelle integriert (LED-Ersatzlampen). Angesichts des derzeitigen Drucks zur Miniaturisierung und Preiskonkurrenz ist es leicht möglich, auf Stromversorgungskomponenten zu stoßen (auch auf solche, die in Lichtquellen integriert sind), bei denen der Hersteller nicht allzu sehr auf die Mischung geachtet hat. Es ist daher notwendig, einzelne Lichtquellen und ihre Leistungskomponenten hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Beleuchtung, die sie unter normalen Bedingungen liefern, vergleichen zu können - vorzugsweise durch Umrechnung des zeitlichen Verlaufs der Lichtmenge in eine Zahl. Es gibt mehrere solcher Verfahren, die von einfach bis komplex reichen.

 

Licht-Welligkeit-Faktor

Der Welligkeitsfaktor des Lichts ist wahrscheinlich das älteste Maß für die Streuung und ist definiert durch [9, S. 193]

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wobei Фmin und Фmax das globale Minimum und Maximum des Lichtstroms Ф(t) pro Periode sind, siehe Abb. 2. Synonyme sind Modulationstiefe, Michelson-Kontrast oder Flimmeranteil. Andere Bezeichnungen sind FP, FProzent oder mod%. Bei einem dunklen Hintergrund kann der momentane Lichtstrom durch die momentane repräsentative Beleuchtungsstärke ersetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass es leicht zu verstehen ist und in der Vergangenheit mit analogen Minimum- und Maximum-Detektoren leicht zu realisieren war. Der Nachteil ist, dass bei diesem Verfahren weder die Frequenz noch die Wellenform berücksichtigt werden, die für die Überblendung wesentlich sind. So lassen sich Vergleiche zwischen ähnlichen Lichtquellen anstellen, die mit der gleichen Frequenz betrieben werden, z. B. verschiedene Leuchtstofflampen, die mit Netzfrequenz betrieben werden, oder Leuchtstofflampen mit unterschiedlichem Elektrodenverschleiß. Die rote Wellenform in Abbildung 2 zeigt das Ф(t) einer Leuchtstofflampe mit teilweise deaktivierter Elektrode. Ein typischer Wert von kf unter Netzstrom beträgt 7 % für eine 60-W-Glühbirne und etwa 30 bis 60 % für eine Leuchtstofflampe [9, S. 194].

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Abb. 2: Der Lichtwelligkeitsfaktor kf ist für alle drei Wellenformen gleich

 

Übergabe-Index

Diese Größe wurde als verbesserter Ersatz für kf konzipiert und ist durch die Beziehung [9, S. 193] definiert

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Dabei ist A1 die von Ф(t) begrenzte Fläche oberhalb der Mittelwertlinie, A2 die von Ф(t) begrenzte Fläche unterhalb der Mittelwertlinie, siehe Abbildung 3. Der englische Name ist Flicker Index und die Bezeichnung FI oder Findex. Er wird als dimensionslose Zahl von 0 bis 1 angegeben, um nicht mit dem Flickerfaktor (in Prozent) verwechselt zu werden. Im Vergleich zu kf berücksichtigt der integrale Ansatz teilweise die Form der Wellenform. Dieser Ansatz berücksichtigt, wie kf, nicht die Frequenz. Ein typischer Wert bei Netzversorgung ist 0,03 für eine 60-W-Glühbirne und ungefähr 0,1 für eine Leuchtstofflampe, was auch der empfohlene Höchstwert ist [9, S. 194].

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Abb. 3: Der Mischungsindex f ist für alle drei Wellenformen gleich

 

Spektrale Methoden

Der Wunsch nach einer wellenformgerechteren Skala hat zur Entwicklung verschiedener Spektralmethoden wie FVM, SVM oder Assist Mp geführt. Diese Methoden beruhen auf einer diskreten Fourier-Transformation, die die gemessene Zeitwellenform in ihr Frequenzspektrum umwandelt. Die Amplituden der einzelnen Spektralkomponenten werden nach Multiplikation mit den Gewichtungsfaktoren für jede Frequenz summiert. Wird dabei die Phasenkomponente des Spektrums nicht berücksichtigt, ergibt eine solche Skala einen Wert für den ungünstigsten aller Zeitverläufe, der der Amplitudenkomponente des Spektrums entspricht. Siehe Abbildung 4 für einen Vergleich zweier solcher Wellenformen.

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Abb. 4. Zwei verschiedene Wellenformen mit der gleichen Amplitudenkomponente des Spektrums

 

Objektive Messung

Der Aufbau und die Eigenschaften des Flickermessgeräts (Flickermeter) werden in der Norm EN 61000-4-15 behandelt, die eine Methodik zur Bestimmung der Kurzzeit- und Langzeit-Flickerwahrnehmungsrate aus der Spannungswellenform enthält. Das Herzstück des Messgeräts ist eine Kaskade von Filtern und Quadraturen, die eine 60-W-Glühlampe (die zum Zeitpunkt der Entwicklung des Messgeräts als Referenzlichtquelle diente) und die Reaktion des Auges/Gehirns eines durchschnittlichen Beobachters unter Referenzbeobachtungsbedingungen auf Lichtveränderungen modellieren und deren Ergebnisse mit statistischen Methoden verarbeitet werden. Im Oktober 2017 wurde die überarbeitete IEC TR 61547-1 veröffentlicht, die ein objektives Flicker/Flickermessgerät beschreibt, das auch für neue Lichtquellen geeignet ist, und eine Methodik zur Bestimmung von Flickerwahrnehmungsmaßen sowohl aus Spannungs- als auch aus Beleuchtungsstärkewellenformen liefert. In der Literatur finden sich u.a. Hinweise auf die Arbeiten von Assoc. Drápela und Ing. Šlezingr von der Technischen Universität Brünn. Öffentlich verfügbare Software-Implementierungen dieser Algorithmen für MatLab® oder das frei verfügbare GNU Octave ermöglichen es beispielsweise, mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommene Wellenformen zu verarbeiten oder Simulationen durchzuführen.

 

Messgeräte

Professionelle Flicker/Flickermessgeräte sind in der Regel Teil von EMV-Prüfgeräten oder Netzqualitätsanalysatoren, die den zeitlichen Verlauf der Spannung gemäß EN 61 0004-15 auswerten. Der Aufbau eines objektiven Flickermessgeräts, das den zeitlichen Verlauf des Lichtstroms auswertet, wird in [8] ausführlich beschrieben. Neue Geräte werden voraussichtlich nach IEC TR 61547-1 konstruiert. Orientierungsmessungen Zur schnellen Orientierung bei der Leuchtenentwicklung oder Komponentenauswahl reicht es oft aus, den durch die LEDs fließenden Strom zu messen, zu dem der Lichtstrom in einem weiten Bereich proportional ist. Ist dies nicht möglich, kann der Stromverlauf aus dem Spannungsverlauf der LEDs über deren (steile) Volt-Ampere-Kennlinie gewonnen werden. Zur Messung der momentanen (repräsentativen) Beleuchtungsstärke kann eine einfache Sonde mit integriertem Licht-/Spannungswandler, wie der in [10] beschriebene TLS257, an das Oszilloskop angeschlossen werden. Auf dem Markt gibt es auch tragbare Flickermessgeräte, die die Frequenz, den Wavelet-Faktor und den Flicker-Index, die Sichtbarkeit des SVM-Stroboskop-Phänomens oder die Wellenform anzeigen.

 

Schlussfolgerung

Flimmern ist fast in Vergessenheit geraten, aber mit dem Aufkommen der Leuchtdioden ist es wieder zu einem wichtigen Phänomen in der Beleuchtungstechnik geworden, das sowohl die Sicherheit als auch die Zufriedenheit der Nutzer mit der Beleuchtung beeinflusst. Der nächste Abschnitt ist unter anderem dem Flimmern in der Aufnahmetechnik gewidmet.

 

Verwendete und empfohlene Literatur:

[1] GARHÖFER, G. et al. Diffuses Luminanzflimmern erhöht den Blutfluss in den Hauptarterien und -venen der Netzhaut. Vision Research. 2004, 44(8), 833-838. ISSN 00426989. Auch verfügbar unter: https://goo.gl/jdDMdn

[2] IACCARINO, Hannah F. et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature. 2016, 540(7632), 230-235. DOI: 10.1038/nature20587. ISSN 0028-0836. Auch verfügbar unter: http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature20587

[3] EN 12464-1:2012. Licht und Beleuchtung - Beleuchtung von Arbeitsstätten - Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen.

[4] CSN IEC 50(161):1993+A1:1999+A2:2000. Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch. Kapitel 161: Elektromagnetische Verträglichkeit.

[5] ČSN IEC 50(845):1996+Z1:2000. Internationales elektrotechnisches Wörterbuch. Kapitel 845: Beleuchtung.

[6] CIE TN 006:2016. Visuelle Aspekte von zeitmodulierten Beleuchtungssystemen - Definitionen und Messmodelle.

[7] IEEE Std 1789™-2015: IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers.

[8] DRÁPELA, Jiří. Objective flickrmeter. Institut für elektrische Energietechnik: Technische Universität Brünn [online] [zit. 2018-01-25]. Verfügbar unter: https://goo.gl/1m7GZS.

[9] HABEL, Jiří et al. Lichttechnik und Beleuchtung. Prag: FCC Public, 1995. ISBN 80-901-9850-3.

[10] Wie man Lichtflimmern in LED-Lampen misst [online]. Richtek Technology Corporation, 2006 [zitiert am 2018-01-04]. Verfügbar unter: https://goo.gl/WvAmjE

Rückblick: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D., Abteilung für elektrische Energietechnik, FEKT BUT in Brünn.

Autor. Antonín Fuksa, NASLI & Blaue Stufe
Veröffentlicht in Světlo 1/2018