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(Bild: GL Optic)

Eckdaten

Thema des Artikels ist die Einführung von Flicker-Messung und stroboskopischer Sichtbarkeitsmessung (SVM) im Zuge der revidierten Ökodesign-Verordnung für Lichtquellen bis Ende 2019.

Beim Kauf oder der Entwicklung neuer Treiber, Netzteile oder Dimmerelektroniken müssen Ingenieure die Leistungsparameter der LED-Beleuchtung berücksichtigen, einschließlich temporärer Lichtartefakte (TLA), das heißt Flicker- und Stroboskopeffekte. Die Herausforderung in diesem Zusammenhang besteht darin, dass es bisher keine Regelung oder einheitlichen Standard gab, der akzeptable oder minimale Flickerwerte beschreibt. Derzeit arbeitet die Europäische Kommission an der Überarbeitung der Verordnungen über Ökodesign und Energiekennzeichnung für Lichtquellen einschließlich LEDs.

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Bild 1: Diagramm des Systems zur Messung des Lichtflickers. GL Optic

Die zukünftige Richtlinie wird voraussichtlich Flicker-Mindestvorschriften beinhalten. Falls diese Änderung bis Ende 2019 eingeführt wird, könnte sie im Jahr 2021 in Kraft treten. Die Mitgliedstaaten und die nationalen Fachverbände der Beleuchtungsbranche diskutieren derzeit über die empfohlenen Grenzwerte und die geeignete Metrik zur Evaluierung des Lichtflickers. Gegenwärtig wird die stroboskopische Sichtbarkeitsmessung (Stroboscopic Visibility Measure, SVM) in der Ökodesign-Verordnung für Lichtquellen von den Mitgliedsstaaten (Regelungsausschuss) mit einem Grenzwert von ≤ 0,4 festgelegt.

Mit der Aufnahme von Flicker-Mindestvorschriften in die europäische Norm wird dieses internationale Rechtsdokument nach California Title 24 das erste sein, das Flickerparameter anerkennt und ein Standardmaß festlegt. Title 24 ist eine Sammlung von Energiestandards, die sich mit der Energieeffizienz von neuen und umgebauten Wohnungen und Geschäftsgebäuden befasst. Seit 1978 sind die Einwohner Kaliforniens verpflichtet, die in Title 24, Part 6, des California Code of Regulations enthaltenen Energieeffizienzstandards einzuhalten. Sollte ein Grenzwert von ≤ 0,4 offiziell verabschiedet werden, könnte dies bedeuten, dass ein Großteil der verfügbaren LED-Netzgeräte nicht der Norm entspricht.

Bevor diese Änderungen in Europa eingeführt werden, empfiehlt es sich, einen genaueren Blick auf die grundlegenden Flickermetriken wie Flickerindex, Flickerprozent und Frequenz zu werfen, um die Messmethoden, die verfügbaren Messgeräte und die vorgeschlagenen Messmethoden zu verdeutlichen. Zudem ist es für alle Lichtprofis wichtig, den Umgang und die Bedeutung der neuen stroboskopischen Sichtbarkeitsmessung zu verstehen, einer von Philips Research entwickelten Metrik. In diesem Artikel werden zudem Details zu Messsystemen vorgestellt und Möglichkeiten zur Verhinderung von Flickereffekten diskutiert.

Lichtflicker in LED-Beleuchtungssystemen

Neben der spektralen Leistungsverteilung des Lichts und dessen Intensität ist der Lichtflicker einer der Faktoren, die den visuellen Komfort am Arbeitsplatz beeinflussen. Lichtflicker ist eine schnelle, periodische Veränderung der Lichtintensität. Unter normalen Bedingungen können die meisten Menschen keinen Flicker von mehr als 80 Hz sehen, was als die untere Grenze der sichtbaren Frequenz gilt.

Langfristiger leichter Flicker kann zu visuellen Beeinträchtigungen bei der Arbeit führen. Es kann Kopfschmerzen, Migräne und epileptische Anfälle verursachen. Im industriellen Umfeld können Unfälle unter Beteiligung von Menschen verursacht werden, da der stroboskopische Effekt durch Lichtflicker zu einer Störung in der Wahrnehmung der Geschwindigkeit von rotierenden Objekten, zum Beispiel Maschinenteilen, führt.

Lichtflicker ist bei Sport- oder bei Konzertveranstaltungen, in deren Kontext qualitativ hochwertige Filmkameras mit der Möglichkeit der schnellen Bildaufnahme (60 Bilder pro Sekunde oder mehr) zum Einsatz kommen, definitiv nicht erwünscht, da der Effekt der Änderung der Lichtintensität sichtbar wird. Das periphere Sehen reagiert empfindlicher auf den Flickereffekt, der beispielsweise zu Konzentrationsstörungen eines Fahrzeugführers und zur Umlenkung der Aufmerksamkeit auf die Lichtquelle führen kann, was die Verkehrssicherheit gefährdet.

Die rasante Entwicklung der Beleuchtungstechnik auf Basis von LEDs hat diese Problematik zunehmend in den Fokus gerückt, da die sehr schnelle Reaktionszeit dieser Art von Halbleiterlichtquellen auf einem Niveau von wenigen oder mehreren Dutzend Nanosekunden liegt. Bei Glühlampen wurde die Reaktionszeit und somit auch die Hertzfrequenz durch die große thermische Trägheit der Faser limitiert. Aus diesem Grund ist es wahrscheinlicher, dass in LED-Beleuchtungsanlagen Flickern sichtbar wird.

Messsysteme

Photometrische Geräte, bestehend aus einem Hochleistungs-Photodetektionssystem (Photodiode mit Transimpedanzverstärker) und ergänzt durch einen optischen V-Lambdafilter, der es ermöglicht, die Empfindlichkeitskurve des Systems an die Eigenschaften des menschlichen Auges anzugleichen, sollten zur Messung der Flickerparameter der Lichtquelle verwendet werden (Bild 1).

Grundlegende Flickerparameter sind das Thema der nächsten Seite

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Bild 2a: LED-E27-Leuchtmittel, 12 W, 230 VAC. Die Messung wurde mit dem GL Spectis 1.0T Flicker mit einer Abtastfrequenz von 125 kHz durchgeführt. GL Optic

Bei der Charakterisierung von Lichtflicker ist eine der grundlegenden Aufgaben die Bestimmung der Flickerfrequenz der Lichtquelle. Bei Wolfram-Halogen- oder Leuchtstofflampen ist die Flickerfrequenz in der Regel doppelt so hoch wie die Frequenz des Stromversorgungsnetzes, sodass sie in der Europäischen Union 100 Hz und in den USA zum Beispiel 120 Hz betragen wird. Da es bei Messungen außerhalb des Labors oft zusätzliche Flickerquellen gibt, wird in den Messsystemen eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) zur Analyse des Signals verwendet, um alle im Signal vorhandenen Komponenten zu identifizieren.

Weiterhin ist es von Relevanz, das aufgezeichnete Signal in einem Zeitdiagramm darzustellen, was die Beurteilung der Signalform (sinusförmig, rechteckig, dreieckig), der Modulation oder der Frequenz ermöglicht.

Die wichtigsten Messungen aus Sicht eines Ingenieurs, der das Flickern von LED-Licht bewertet, basieren auf der Messung der Signalamplitude (Flickerprozent) und der Form (Flickerindex). Bild 2 zeigt die sinusförmige Änderung der Lichtintensität (Photodiodenstrom) über die Zeit. Die Grafik veranschaulicht die wichtigsten Amplituden und die Bereiche unterhalb der Kurve, die zur Bestimmung der Flickermesswerte verwendet werden.

Flickerprozent (FP) ist das einfachste Maß für den Flicker, basierend auf der maximalen und minimalen Flickeramplitude. Bei einer Änderung der Wellenform (unter Beibehaltung der Werte der Flickeramplituden), zum Beispiel von sinusförmig nach rechteckig, oder bei einer geraden Welle bleibt der Wert des Flickerfaktors gleich. Der Umfang der möglichen Werte reicht von 0 (ohne Flicker) bis 100 %. Die Richtlinien der Norm IEEE 1789-2015 empfehlen Flickerprozentwerte <0,08 × der Flickerfrequenz (8 % bei 100 Hz).

Hierbei handelt es sich um einen niedrigen Risikolevel. Das zweite, übergeordnete Kriterium geht davon aus, dass der Flickerpegel im Noel liegt (kein beobachtbarer Effektpegel) und 0,0333 × Flickerfrequenz (3 Prozent bei 100 Hz) nicht überschreitet.

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Maximum + Minimum

  • maximale – maximale Signalamplitude
  • minimale – minimale Signalamplitude
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Bild 3: Zeitdiagramm des Lichtflickersignals. GL Optic

Der Flickerindex (FI) ist ein Maß für den Flicker, das auf der Bestimmung des Integrals unter der Kurve basiert. Im Gegensatz zur vorherigen Messung berücksichtigt der Flickerindex nicht nur die Amplitude der Wellenform, sondern auch deren Form und Modulationstiefe. Der Wert der Messung kann von 0 (bei fehlendem Flicker) bis 1 reichen, wobei die US-amerikanische Organisation IES empfiehlt, dass Lichtquellen den Flickerindex-Wert von 0,1 nicht überschreiten sollten.

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  • Area A – Integral unterhalb der Kurve bis zum Niveau des Mittelwertes
  • Area B – Integral unterhalb der Kurve vom Niveau des Mittelwertes bis Null

Zusammenführung aller Flickerparameter

Da Flicker durch die Verwendung spezifischer Parameter auf unterschiedliche Weise beschrieben werden können, ist es sinnvoll zu klären, welches Leuchtmittel bessere und welches schlechtere optische Leistungsparameter aufweist. In diesem Zusammenhang kann eine neue SVM-Metrik hilfreich sein, da sie Frequenz, Modulationsart und Modulationsgrad berücksichtigt.

Die stroboskopische Sichtbarkeitsmessung ist ein neues Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Stroboskopeffekts. Es wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern von Philips Research unter Berücksichtigung der visuellen Wahrnehmung verschiedener Frequenzen des Flickers der Lichtquelle entwickelt. Ein Wert gleich oder größer als 1 bedeutet, dass der stroboskopische Effekt für Betrachter sichtbar ist. Im Gegensatz zu Flickerindex- und Flickerprozent-Messungen berücksichtigt SVM die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen visuellen Wahrnehmungssystems (Auge und Gehirn) in Bezug auf die Flickerfrequenz.

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Der SVM-Parameter korrespondiert mit der Summe der Fourier-Cm-Transformationskomponenten, dividiert durch Tm, interpretiert als Erkennungsschwelle der entsprechenden Frequenz für sinusförmige Modulationsflicker.

Die im Artikel diskutierten Maßnahmen beziehen sich auf die tatsächlichen optischen Messungen der Intensität der geprüften Lichtquelle. Dabei ist zu beachten, dass die so genannten Flickermessgeräte auf Basis der Norm IEC 6100-4-15, das heißt Geräte für Kurzzeitmessungen (Pst-Index zehn Minuten) und Langzeitmessungen (Plt-Index zwei Stunden) von Schwankungen der Netzspannung (120 oder 230 V, 50 oder 60 Hz) durch zeitvariable Blindleistung von Störempfängern, sich auf die elektromagnetische Verträglichkeit und nicht auf die optische Flickerleistung beziehen. Diese Norm geht von der Messung der Netzspannung aus und nicht von der direkten Messung des Flickers der Lichtquellenintensität, der Simulation des Augen- und Gehirnsystems und der Verwendung von Glühlampen.

Wie wird gemessen?

In den meisten Fällen wollen Hersteller die Flickerparameter von LED-Modulen und Lampen unter Laborbedingungen spezifizieren, um diese Parameter in das Datenblatt aufzunehmen. Ein solcher Test sollte in einem Dunkelraum durchgeführt werden, in dem es keine anderen Lichtquellen gibt, die die Messung stören könnten. Ein auf die Lichtquelle gerichtetes Messgerät sollte auf einer optischen Bank oder einem Stativ montiert werden, da Handvibrationen zusätzliche tiefe Frequenzen im Signal verursachen können. Der PN-Halbleiterstecker einer LED hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, sodass der durch die LED fließende Strom mit zunehmender Erwärmung anwachsen wird. Hier empfiehlt es sich, mehrere Minuten zu warten, um stabile Temperaturbedingungen des Moduls zu erreichen, die es erlauben, ergänzend die Flickerparameter der Lichtquelle zu bestimmen.

Eine andere Methode zur Messung von Flicker wäre die Installation eines Flickermessgerätes in einer Ulbrichtkugel, was den Messprozess für Ingenieure vereinfachen könnte, die nicht immer die Möglichkeit haben, das Labor zu nutzen, um schnelle Auswertungen bei der Überprüfung von Komponenten und neu entwickelten Schaltkreisen durchzuführen. Eine Ulbrichtkugel mit geeigneten Messgeräten und Software kann eine Tischmessstelle bilden.

Die Vor-Ort-Messung von mehreren im Gebäude installierten Lichtquellen ist beispielsweise wegen der Überlagerung (gegenseitige Überlagerung von Wellen) von Änderungen der Lichtintensität, die dann auftritt, eine viel anspruchsvollere Aufgabe. Eine regelmäßige Überprüfung der Installation kann jedoch die tatsächliche Leuchtmittelleistung bestätigen, und ein erhöhtes Flickern kann auf Schäden an den Stromversorgungssystemen oder veränderte thermische Bedingungen des LED-Moduls im Inneren hinweisen.

Thema der nächsten Seite: Welche Messinstrumente sind verfügbar?

Flickermessinstrumente variieren in Abhängigkeit von der Größe der FFT in Bezug auf Messzeitspanne, Abtastfrequenzen, maximale Übertragungsfrequenz und Frequenzauflösung. Nicht alle Hersteller befolgen die Richtlinien von Prüforganisationen für Lichtflicker.

Highend-Geräte erfassen ein Signal mit einer hohen Überabtastrate, die um das Zehnfache höher ist als die höchste erwartete Frequenz des Messsignals, was für die genaue Wiedergabe der Flicker-Signalform wichtig ist. Bei der Konstruktion von Lampen für bestimmte Anwendungen in Produktionshallen oder Sportstätten kann auch der stroboskopische Effekt von Interesse sein, sodass in diesem Fall die Berücksichtigung dieses Parameters in den Berechnungen wichtig sein wird.

Das United States Department of Energy (DOE), eine US-Regierungsbehörde, die sich mit Energieeffizienz und erneuerbaren Energien auseinandersetzt, hat Geräte zur Messung des Flickers von Lichtquellen überprüft. In einem Bericht wurden sieben tragbare Messgeräte und eine Anwendung für Smartphones mit einem stationären Referenzsystem verglichen.

Zu diesem Zweck wurden zwölf verschiedene Lichtquellen mit jeweils unterschiedlichen Flickereigenschaften verwendet. Die Geräte wurden sowohl in Bezug auf die Genauigkeit der Messung der grundlegenden Metriken von Flicker wie Flickerindex und Flickerprozente als auch in Bezug auf die Richtigkeit der Erkennung der dominanten Frequenz im Signal verglichen. Einige Quellen wurden im Modus „maximale Helligkeit“ und im Modus „30 Prozent Helligkeit“ gemessen.

Nur zwei europäische Messinstrumente, darunter Gigahertz und das GL Spectis 1.0T Flicker von GL Optic, wurden in den Vergleich einbezogen und konnten die stroboskopische Sichtbarkeit messen. Die Korrektheit der SVM-Messung wurde ebenfalls mit einem Referenzinstrument verglichen.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass die einzige Komponente, die unmittelbaren Einfluss auf die Flickerleistung hat, der Treiber ist. Je höher die Treiberkapazität, desto besser ist die Filterwirkung, um den Einfluss der vom Netz gelieferten Energie zu eliminieren. Dies führt zu einer höheren Designkomplexität und höheren Kosten. Um bessere Komponenten auszuwählen und das Produkt zu optimieren, ist es erforderlich, die Flickerleistung während des gesamten Entwicklungsprozesses zu berücksichtigen. In diesem Kontext können die verfügbaren Metriken und Messinstrumente zur Unterstützung der Entwicklung besserer LED-Beleuchtungsprodukte verwendet werden. Denn in absehbarer Zukunft wird es erforderlich sein, die europäischen Normen in diesem Bereich zu erfüllen.

Miko Przybyla

GL Optic

Pawel Czarnecki

GL Optic

(neu)

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