Flimmer, Flacker und Flicker bei LED-Beleuchtung

Das Lichtflimmern – auch Temporal Light Artefact (TLA) oder Lichtmodulation genannt – ist die schnelle Änderung (meist Luminanz) einer Leuchtquelle. Drei Effekte, die sich auch überlagern können, sind dabei zu unterscheiden:

a. Leuchtdichte-Flimmern, das durch wechselnde Helligkeitsgrade entsteht
b. Chromatisches Flimmern, das durch wechselnde, bzw. schwankende Lichtfarben verursacht wird
c. Stroboskop-Effekt („Disco-Licht“), der durch sequenzielle Lichtblitze entsteht

LED-Lampen und Leuchten sind LED-Halbleiter (monochromatische Lichtquellen), d.h. sie senden Licht nur in eingeschränkten Wellenlängenbereichen aus, die primär durch die Beschichtungen der Halbleiter bestimmt werden.

Die lichtemittierenden Dioden (LED) werden in der Regel von einem elektronischen Treiber angesteuert, der meist als Konstantgleichstromquelle ausgelegt ist. Aus Kostengründen werden oft einfache Schaltungen eingesetzt und parallel zum Gleichstrom ist am Treiberausgang auch ein Wechselstromanteil vorhanden. Der Wechselstromanteil wird über die LED in Licht umgewandelt und überlagert das „saubere“ Licht. Ursachen von Flimmern können zudem Kompatibilitätsprobleme mit Dimm- und Steuerschaltkreisen sein.

Lichtflimmern setzt den menschlichen und tierischen Körper unter Stress. Es findet ein Anpassungsprozess statt, der das Gehirn und die Muskeln belastet. Oft wird dabei das Lichtflimmern gar nicht aktiv vom Betrachter wahrgenommen. Beim Menschen können Symptome wie Kopfschmerzen, Müdigkeit, Erschöpfung, Migräne, autistisches Verhalten, Konzentrationsprobleme und schlimmstenfalls sogar epileptische Anfälle auftreten. Dies kann in der Praxis sogar zu einer reduzierten Arbeitsleistung führen. In der Tierhaltung können die Auswirkungen durch Lichtflimmern deutlich extremer ausfallen. Hühner reagieren zum Beispiel viel empfindlicher als der Mensch auf einen erhöhten Flimmeranteil im Licht. Die ursächliche Wirkung auf eine verringerte Legeleistung und/oder ein geringeres Wachstum konnte wissenschaftlich nachgewiesen werden.

Das Sonnenlicht als natürliche Lichtquelle bietet ein flimmerfreies Licht. Im Laufe der Evolution mussten Lebewesen somit keine Maßnahmen zur Kompensation von Flimmern im Licht entwickeln. Das Lichtflimmern von künstlichen Lichtquellen belastet das Nervensystem von Lebewesen. Es wird teilweise bewusst, meistens aber unbewusst wahrgenommen und hat zahlreiche negative Auswirkungen, die sich aber bei jedem Lebewesen unterschiedlich auswirken können. Das Lichtflimmern kann folgende Organe, bzw. Abläufe in Körpern beeinflussen: z.B. Augen, Gehirn, Hormone, neurologische Abläufe, Koordination, Stoffwechsel, Glukoseverbrauch, kapillaren Blutfluss, Schlafstörungen, Migräne/ Kopfschmerzen, Epilepsie-Anfälle, Unwohlsein. Die Zeitschrift „ÖKO-TEST“ hat in einer Ausgabe das „unruhige Licht“ als „Disco fürs Hirn“ beschrieben und sich kritisch mit den Auswirkungen auseinander gesetzt.

Flackern: Unregelmäßige Leuchterscheinung, die sich örtlich und/oder zeitlich ändert. Das Flackern von Lampen kann seine Ursache entweder in einer unsteten Lichterzeugung (z. B. Flammen) oder einer unsteten Energiezufuhr haben. Ein ausgeprägtes Flackern zeigen alle Verbrennungslampen (Kerzen, Gaslampen), bei denen sich sowohl Flammengröße und Lichtstrom als auch Form und Lage der Flamme sporadisch ändern können. Flackern tritt aber auch bei Entladungslampen in Form des Einschaltflackerns und des Elektrodenflackerns auf. Im Unterschied zum Lichtflimmern ist das Flackern kein periodischer Vorgang. (Quelle: www.techniklexikon.net/d/flackern/flackern.htm)

Flicker: Der Begriff Flicker bzw. Flickermessung bezieht sich auf die potenzielle Auswirkung auf die Lichtemission eines Leuchtmittels (Glühbirne), wenn dieses an einem Netz betrieben wird, welches durch Flicker verursachte unregelmäßige (aperiodische) Netzspannungsänderungen (Netzstörungen) hat. Das Messverfahren eines Flickermeters nach dem Funktionsdiagram der IEC-61000-4-15 bemisst das mit Flicker verunreinigte Stromversorgungsnetz. Dazu wird nach der Demodulation der Netzspannung eine Auge-Gehirn-Reaktions-Simulation eingesetzt, die zur Filterung und frequenzabhängiger Bewertung einen Bandpass (-3dB:0,05 Hz > Peak:8,8Hz > -3dB:35Hz) benutzt. Quelle: Wikipedia

Flimmern oder Lichtflimmern: Im Gegensatz dazu beschreibt der relativ neue Begriff „Lichtflimmern“ den periodischen Wechselanteil des real emittierten Lichts eines störungsfrei elektrisch betriebenen Leuchtmittels, der durch den Wechselanteil in der systembedingten elektrischen Versorgung (Netzfrequenz, Vorschaltelektronik) des Leuchtmittels verursacht wird. Dieser liegt größenordnungsmäßig über 35 Hz bis in den 100-kHz-Breich. Diese Eigenschaft ist also dem Leuchtmittel zuzuschreiben und nicht dem Versorgungsnetz. Entsprechend wird das Lichtflimmern immer optisch vermessen, wobei das zu vermessende Leuchtmittel an einem störungsfreien (flickerfreien) Wechselspannungsnetz (Haushaltsversorgungsnetz) betrieben wird.

Blinken: Blinkendes Licht ist ein niederfrequentes (Größenordnung 10 Hz) periodisches Licht mit einem Tastverhältnis von mehr als ca. 25%. Es wird für einen bestimmten Zweck (meist als Signal) zielgerichtet und künstlich erzeugt (z.B. KFZ-Blinker).

Blitzen: Blitzlicht ist ein niederfrequentes (Größenordnung 10 Hz) periodisches oder aperiodisches Licht mit einem Tastverhältnis von deutlich weniger als 10%. Es kommt in der Natur vor (Gewitter) oder wird künstlich erzeugt (z. B. Blitzlicht für Fotografie, Stroboskoplicht für Diskothek). Hinweis: Das französische „scintillement“ fasst sogar alle 4 Begriffe in einem Wort zusammen.

In der ASR A4.4 für Beleuchtung findet sich auf Seite 9 folgende Vorgabe:
„5.5 Flimmern oder Pulsation
Flimmern oder Pulsation dürfen nicht zu Unfallgefahren (z. B. durch stroboskopischen Effekt) oder Ermüdungen führen. Dies kann z. B. durch den Einsatz von elektronischen Vorschaltgeräten oder durch Drei-Phasen-Schaltung verhindert werden.“
Link: http://www.baua.de/de/Themen-von-A-Z/Arbeitsstaetten/ASR/ASR-A3-4.html;jsessionid=B5C7C23D6143B827A38B78394C1E55DB.1_cid343

Nach DIN EN 12464-1 können Stroboskopeffekte bei Tätigkeiten am Arbeitsplatz gefährliche Situationen erzeugen, weil sie die Wahrnehmung rotierender oder sich hin und her bewegender Teile vollkommen verändern.

Die Illuminating Engineering Society (IES) beschreibt im Standard RP-16-10 eine Methode, mit der sich die Auswirkungen flimmernder Lichtquellen quantifizieren lassen. Danach ist der Flimmeranteil ein relatives Maß für die zyklische Amplitudenveränderung der Lichtquelle, während der Flimmerindex die zyklische Veränderung unter Berücksichtigung der Form des Wellenverlaufs misst. Die Flimmerfusionsfrequenz oder Flimmerverschmelzungsfrequenz* ist die Frequenz, bei der eine Folge von Lichtblitzen als ein kontinuierliches Licht wahrgenommen wird. Sie gilt für den Ruhezustand des sehenden Wesens gegenüber der 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. Die bisherigen Messverfahren zeigen deutliche Schwächen auf, darum wurde folgen neue verbesserte Messverfahren entwickelt und standardisiert:

PstLM-Messverfahren: Frequenzbereich bis 80 Hz basierend auf IEC/TR 61547-1[18], IEC 61000-4-15 und IEC/EN 61000-3-3

SVM-Messverfahren: Frequenzbereich ab 80 Hz bis 2 kHz gemäß CIE TN 006:2016[19] (Diskrete Fourier-Transformation und frequenzabhängige Gewichtung).

Die SVM-Messmethode erfasst auch das Flimmern mit der doppelten Netzfrequenz. Nachteilig in der Paraxis ist die notwendige Kommunikation zweier Werte um zu einer Gesamtaussage über das Flimmern einer Lichtquelle zu kommen.

Die EU hat am 5. Dezember 2019 die neue Verordnung (EU) Nr. 2019/2020 mit Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Beleuchtungsprodukten veröffentlicht. Dieser im September 2021 in Kraft tretenden VO zufolge müssen LED-Lichtquellen bei Volllast folgende Anforderungen einhalten:

PstLM ≤ 1,0 und SVM ≤ 0,4

Bis dahin ist normativ kein Messverfahren für das Lichtflimmern festgelegt, entsprechend fehlt es an numerischen Grenzwerten, die je nach Anwendung festzulegen sind. Nach DIN EN 12464-1 sollen Beleuchtungssysteme so ausgelegt werden, dass Flimmern und Stroboskopeffekte vermieden werden.

Die EU hat am 5. Dezember 2019 die neue Verordnung (EU) Nr. 2019/2015 mit Anforderungen an die Energieverbrauchskennzeichnung von Lichtquellen veröffentlicht. Dieser VO zufolge müssen die beiden Werte PstLM und SVM ab März 2021 in der EPREL-Datenbank (EU Product Registration Database for Energy Labelling), der technischen Dokumentation und dem Datenblatt getragen sein.

Nach ASSIST (Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies) ist ein Flimmeranteil > 20 Prozent bei 100 Hz sowie ein Flimmeranteil > 30 Prozent bei 120 Hz nicht mehr akzeptabel.

Der Kompaktflimmergrad (engl. Compact Flicker Degree) CFD erlaubt eine Klassifizierung nach folgendem Schema:
Gut: 0 bis 12% – Der Flimmeranteil ist nicht oder extrem schwer wahrnehmbar
Akzeptabel: 13 bis 24% – Der Flimmeranteil ist möglicherweise wahrnehmbar, aber akzeptabel
Mittel: 25 bis 49% – Der Flimmeranteil ist wahrnehmbar und das menschliche Wohlbefinden kann beeinträchtigt werden. Für den Arbeitsplatz ist dieses Licht bedingt geeignet.
Schlecht: 50 bis 75% – Ein Flimmeranteil von über 50% ist vom Nutzer wahrnehmbar und eine Beeinträchtigung des menschlichen Wohlbefindens findet bei der Mehrzahl der Menschen statt. Für den Arbeitsplatz ist dieses Licht nicht geeignet.
Extrem: Über 75% – Der hohe Flimmeranteil wirkt belastend auf die Gesundheit von Menschen und kann Kopfschmerzen/Migräne, Unwohlsein/Übelkeit und sogar epileptische Anfälle auslösen.
Für ein 100-Hz-Sinus darf man näherungsweise annehmen: CFD ≈ Modulationstiefe / 2.
Quelle: https://www.derlichtpeter.de/de

Die Flimmerverschmelzungsfrequenz (FVF), auch Flimmerfusionsfrequenz genannt, ist die Frequenz, bei der eine Folge von Lichtreizen als ein kontinuierliches Licht wahrgenommen wird. Bei unvollständiger Verschmelzung entsteht das Lichtflimmern. Für den Ablauf der chemischen Prozesse in der Netzhaut des Auges, die bei der Lichtreizung ausgelöst werden und zur Erregung führen, ist eine Mindestzeit erforderlich. Ist das Zeitintervall zwischen einzelnen Reizen kürzer als diese Mindestzeit, so können diese Reize nicht als periodisch wahrgenommen und von einem gleichmäßig andauernden Reiz unterschieden werden.

Der Phantom-Array-Effekt – auch Ghosting genannt – beschreibt die Änderung der wahrgenommenen Form oder der räumlichen Position von Objekten, induziert durch einen zeitlich veränderliches Lichtsignal.

Das Sonnenlicht ist flimmerfrei und die Referenz hinsichtlich des Farbspektrums und der Gleichförmigkeit.

Hochwertige elektronische LED-Treiber generieren einen nahezu „sauberen“ Gleichstrom zum Ansteuern von den Halbleitern. Um das Flimmern zu minimieren, sollte auch bei der Entwicklung eines Treibers die elektrische Kapazität am Treiberausgang erhöht werden. Dadurch wird die Welligkeitsstromkomponente herausgefiltert. Das geht jedoch zu Lasten der Systemzuverlässigkeit, vor allem dann, wenn minderwertige Kondensatoren verwendet werden. Bei vielen Anwendungen, etwa Retrofit-Lampen, ist es zudem wegen des Platzmangels nicht möglich, die Kapazität aufzustocken.

Ja, durch den Einsatz von Dimmern vergrößert sich der Flimmeranteil oftmals deutlich. Bei der Lichtstromsteuerung durch Pulsweitenmodulation (PWM) wechselt die Spannung zwischen zwei Werten. Dabei wird bei konstanter Frequenz der Tastgrad eines Rechteckpulses moduliert. Schon beim leichten Dimmen wird somit ein hoher Flimmeranteil erzeugt. Bei vielen LED-Monitoren / Displays wird die Einstellung der Helligkeit über eine einfache PWM-Dimmung generiert. Das führt schon bei einer leichten Reduktion der Luminanz zu ungünstigen Flickerwerten. Idealerweise sollte somit bei Arbeitsbildschirmen immer die Helligkeit auf den Maximalwert eingestellt werden. Optimal wäre aber eine Amplitudendimmung mit einer „sauberen“ Gleichspannung. Dann bleibt der sehr geringe Flimmeranteil auch bei verändertem Lichtstrom konstant. In der Praxis werden leider durch den Einsatz von kostengünstigen Dimmern (z.B. PWM) hohe Flimmeranteile erzeugt.

Ja, LED-Lampen und Leuchten mit einem geringen Flimmeranteil sollten unbedingt in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

• Aufenthaltsorte von Kindern (z.B. Schulen, Kindergärten)
• Arbeitsplätze (z.B. Büros, aber auch sehr wichtig bei der Beleuchtung von Maschinen)
• Genereller Beleuchtung (z.B. Wohnzimmer, Krankenhäuser, Altersheime, Kaufhäuser / Shops)

In den folgenden Bereichen sind die Anforderungen an eine flimmerfreie Beleuchtung geringer oder nicht gegeben:

• Straßenbeleuchtung / Parkplatzbeleuchtung
• Notbeleuchtung
• Akzentuierter Beleuchtung

Unter Punkt 9 der TierSchNutztV gibt es eine kurze, aber wenig verbindliche Vorgabe bezüglich des Lichtflimmerns bei der Nutztierhaltung:

„9. die tägliche Beleuchtungsintensität und Beleuchtungsdauer bei Tieren, die in Ställen untergebracht sind, für die Deckung der ihrer Art entsprechenden Bedürfnisse ausreichen und bei hierfür unzureichendem natürlichen Lichteinfall der Stall entsprechend künstlich beleuchtet wird, wobei bei Geflügel das künstliche Licht flackerfrei entsprechend dem tierartspezifischen Wahrnehmungsvermögen sein muss;“
Link: http://www.gesetze-im-internet.de/tierschnutztv/