Wer misst misst Mist – Fallstricke bei der Flicker-Messung

Flicker ist aktuell eines der ganz großen Themen im Beleuchtungsbereich. Nachdem LEDs mittlerweile seit einiger Zeit das Versprechen von Lichtqualität und Lebensdauer einhalten, ist jetzt das Flimmern in den Fokus gekommen. Da eine LED praktisch keine Trägheit hat, resultiert eine Unterbrechung des Stroms durch den LED-Chip auch in einem sofortigen Abreissen des Lichtstromes.

LEDs die „treiberlos“ direkt am Netz betrieben werden, oder mittels PWM (Pulsweitenmodulation) gedimmt werden, flimmern also. Ob und wie stark dieses Flimmern sichtbar ist, oder nicht direkt sichtbare Auswirkungen hat, hängt von vielen Parametern ab. Bisher waren Probleme durch Flimmern in der Lichttechnik in erster Linie von Leuchtstoffröhren bekannt, wo es durch elektronische Vorschaltgeräte mit höheren Frequenzen schon vor längerer Zeit weitgehend gelöst wurde.

Bei LEDs ist gerade in der letzten Zeit das Problem immer deutlicher in den Vordergrund gerückt. Zunehmender Preisdruck hat zur Verbreitung von sogenannten treiberlosen LEDs geführt, wo die Netzspannung nur gleichgerichtet und dann mehr oder weniger geschickt auf LED-Ketten geschaltet wird um einen halbwegs gleichmäßigen Lichtstrom zu erzeugen. Diese Methode hat zwangsläufig ständige Helligkeitsänderungen mit 100 Hz zur Folge.

Am anderen Ende der Preisskala wird die Forderung nach mehr Steuerungsmöglichkeiten immer deutlicher. Der Kunde möchte das Licht möglichst präzise einstellen können, oder automatische Funktionen wie Tageslichtsimulation haben. Damit sind Methoden zum Dimmen gefragt. Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist technisch einfach zu realisieren und gleichzeitig energieeffizient. Leider ist bei PWM Flimmern das Funktionsprinzip. So sind immer mehr „problematische“ Produkte in den Markt gekommen und die Anwender werden zunehmend darauf aufmerksam, dass LED-Licht nicht immer gleich LED-Licht ist.

Gerade in den letzten Monaten sind diverse Messgeräte verfügbar geworden, die eine objektive Bewertung des Flimmerns erlauben sollen. Subjektive Beurteilung hat immer das Problem genau das zu sein: Subjektiv. Neben der echten Bewertung fließen hier Erwartungen und Vorlieben mit ein. Für eine neutrale Beurteilung ist es wichtig objektive Messwerte zu erfassen. Wie bei jeder Messung muss man dazu aber wissen was man tatsächlich misst und wo die Grenzen des Messgerätes sind. Und Grenzen erreichen können die Messgeräte der aktuellen Generation ziemlich schnell.

Das Messprinzip für ein Flickermeter ist eigentlich recht einfach, der Teufel steckt im Detail. Ein Fotosensor mit nachgeschalteten A/D Wandler liefert die Werte, die dann digital ausgewertet und angezeigt werden.

Das erste Glied in dieser Kette ist bereits ein sehr wichtiges. Der optische Sensor muss schnell genug sein und dabei gute Messwerte liefern. Viele Sensoren sind aber nicht auf beides optimiert, sondern schalten entweder schnell, oder liefern eine gute Messauflösung. Das liegt daran, dass die meisten Sensoren für optische Datenübertragung, oder für die Messung von statischem Licht vorgesehen sind. Damit begrenzt sich schon die Geschwindigkeit, bzw. Abtastrate, mit der gemessen werden kann.

Der A/D Wandler ist wahrscheinlich eher kein begrenzender Faktor, hohe Wandlergeschwindigkeiten sind leicht verfügbar, aber die nachgelagerte Datenverarbeitung kann wieder ein Flaschenhals sein, der die Abtastrate beschränkt

Eine hohe Abtastrate ist die wesentliche Voraussetzung für aussagefähige Messungen. Liegt die Abtastrate nicht deutlich über der zu messenden Frequenz, dann ergeben sich Abtastfehler die auch „aliasing“ genannt werden. Wenn das Signal und die Abtastrate in der Frequenz ähnlich sind, dann kann es dazu kommen, dass die Abtastung mehrfach hintereinander Licht 100% erkennt, obwohl jedes mal zwischen zwei Abtastungen eine Dunkelphase liegt. So würde eine deutlich niedrigere Frequenz erkannt werden als tatsächlich vorliegt.

Abtasttheorem

Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem beschreibt die Grenzen der Umsetzung von Signalen u.a. zum Zweck der Datenübertragung. Die dort getroffenen Aussagen lassen sich auch direkt auf die Erfassung von Messwerten anwenden. Eine wesentliche Aussage des Abtasttheorems ist, dass mit mindestens 2 x fmax abgetastet werden muss, um ein Signal rekonstruieren zu können. Also die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die Frequenz des abgetasteten Signals.
https://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem

Nach dem Abtasttheorem muss die Abtastung mindestens mit der doppelten Frequenz des zu messenden Signals erfolgen. Das reicht aber für eine gute Flickerbewertung noch lange nicht aus, da damit die Länge der Impulse nicht erfasst werden kann, sondern nur die Frequenz. Bei der Bewertung von Flimmern ist aber die Messung der Länge der Hell- und Dunkelphasen wichtig, da kurze Dunkelphasen deutlich weniger wahrgenommen werden. Also muss mit einer so hohen Abtastrate gemessen werden, dass die Länge der Hell-/Dunkelphasen mit aussagekräftiger Auflösung bestimmt werden kann.

Wie schnell muss denn nun gemessen werden?

Die notwendige Abtastrate hängt einmal davon ab in welchem Frequenzbereich das PWM-Signal der Lichtquelle ist, aber auch davon wie weit der Dimmbereich geht. Je näher an 0% oder 100% heran gedimmt werden kann, desto extremer wird das Verhältnis zwischen Hell- und Dunkelphase. Damit wächst dann wieder das Problem der Abtastfehler.

Das PWM-Signal hat neben seiner Basisfrequenz eine zweite Frequenzkomponente, die vom Dimmverhältnis abhängig ist. Beispielsweise definiert der DALI-Bus eine Dimmung bis hinunter zu 0,1%, also 1/1000. Die zusätzliche Frequenz liegt dann also beim 1000-fachen der PWM-Frequenz, weil die LED dann nur 1/1000 von einer Phase der PWM-Frequenz an ist. Bei moderaten 500 Hz PWM-Frequenz wären das dann schon 500 kHz, für die nach dem Abtasttheorem mindestens 1 MHz Abtastfrequenz notwendig sind um sie aussagekräftig zu erfassen:

Viele PWM-Dimmer liegen mit ihrer Frequenz deutlich höher als 500 Hz, so dass für so eine Messung Abtastraten von mehreren Megahertz notwendig wären. Real sollte man eher davon absehen in solchen Bereichen zu messen, die geringe resultierende Helligkeit wird ohnehin in der Praxis kaum zum Einsatz kommen und die störenden Effekte werden wahrscheinlich wenig wahrgenommen.

An die Grenzen kommen

Wie eingangs schon gesagt, muss man wissen was man messen möchte und wie weit das verwendete Messgerät dazu geeignet ist. Andernfalls bekommt man Messwerte, die keine qualifizierte Aussage erlauben und sogar bessere Lichtquellen schlechter bewerten können können.

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass einfache Messgeräte mit Abtastraten von nur wenigen Kilohertz weitgehend ungeeignet sind um mit PWM gedimmtes Licht zu messen. Schon eine 10% Dimmung würde bei 500 Hz PWM-Frequenz 500 Hz x 10 x 2 = 10 kHz Abtastrate benötigen um eine halbwegs brauchbare Messung zu liefern. Bei durchaus marktüblichen, höheren Frequenzen versagen solche Messgeräte schnell, wenn man sich von 50% Dimmung entfernt.

Solche einfachen Messgeräte sollten vorzugsweise zur Messung von Lichtquellen die nicht mit PWM gedimmt sind eingesetzt werden. Da es zunehmend auch LED-Lichtquellen gibt die durch ihren „treiberlosen“ Aufbau mit der durch das Stromnetz vorgegebenen Frequenz von 100 Hz (das Doppelte der Netzfrequenz da beide Halbwellen genutzt werden) pulsieren, haben auch einfachere Messgeräte ihre Daseinsberechtigung.

Bevor also ein Messgerät an eine Lichtquelle gehalten und dem angezeigten Messwert blind vertraut wird, sollte erst einmal die Frage nach der Technik der Lichtquelle gestellt werden und ob das Messgerät dieser gewachsen ist. Andernfalls kann es passieren, dass die LED-Leuchte mit dem billigen 150 Hz PWM-Dimmer besser erscheint als die mit 2000 Hz, weil das Messgerät ein scheinbares Signal erfasst hat, das es quasi selber erzeugt hat.

Fehler ausschließen

Neben dem Messgerät ist die Messumgebung wichtig. Um eine Lichtquelle wirklich beurteilen zu können muss sicher gestellt werden, dass nur das Licht von dieser Lichtquelle gemessen wird und nicht Licht aus anderen Quellen stört. Die gegenseitige Beeinflussung mehrerer Lichtquellen zu messen ist auch ein wichtiger Faktor für die Beurteilung der Lichtqualität, dabei muss dann aber auch Licht von anderen Quellen, die nicht mit beurteilt werden sollen, ausgeschlossen werden

Typische Fehlergebnisse, wenn Messgerät und Signal nicht zusammen passen, sind gemessene Frequenzen die sehr weit von dem abweichen was tatsächlich da sein sollte. Werden bei einem mit 500 Hz arbeitenden Dimmer z.B. 70 Hz angezeigt, dann ist es angebracht den Messwert anzuzweifeln. Sehr wahrscheinlich gab es dann einen der zuvor erklärten Abtastfehler durch Frequenzen die für das Messgerät zu hoch sind.

Ein wichtiger Grundsatz beim Messen ist immer die Messwerte in Frage zu stellen und zu schauen, ob sie plausibel sind. Zeigt das Messgerät sehr niedrige Flimmerfrequenzen (z.B. <100 Hz) bei hoher Modulation an, dann kann sogar eine subjektive Kontrolle helfen. Sind in diesem Fall keine der üblichen Effekte, wie Stroboskopeffekt, oder String-of-Pearls (scheinbare Punktlinie bei schnellen Augenbewegungen) zu entdecken, dann ist eine Gegenkontrolle mit einem Messgerät anderer Bauart angebracht.

Jenseits der Grenzen

Völlig überfordert sind aktuell in der Regel sogar hochwertige Messgeräte wenn eine Spread Spectrum PWM zum Einsatz kommt. Diese aus der modernen Kommunikationstechnik übernommene Methode verteilt das PWM-Signal nach einem Pseudozufallsprinzip über einen weiten Frequenzbereich. Das Ergebnis ist ein Signal, das quasi ein Rauschen ist.

Solche Signale lassen sich aktuell nur mit Messgeräten für sehr hohe Bandbreiten erfassen wie sie im Elektroniklabor üblich sind. Der Versuch diese Dimmung mit einem der aktuell üblichen Flicker-Messgeräte zu messen ergibt keinerlei verwertbares Ergebnis. Entweder wird dann nur ein Teil des Frequenzbereichs (vorzugsweise der untere) erfasst, oder durch Abtastfehler erzeugte Pseudosignale zusätzlich angezeigt.

Fazit

Wie der Titel schon sagt: Wer misst misst Mist. Ein Messgerät kann nie die gesamte Realität einfangen, sondern immer nur das wofür es ausgelegt ist. Dessen muss man sich immer bewusst sein.

Im besten Fall verwendet man Messgeräte deren Auflösung und Abtastrate weit über dem liegen, was die Quelle als Signal erzeugt. Leider sind gute Messgeräte auch immer teuer, daher muss man oft mit weit weniger auskommen. Daher ist es immer wichtig die Grenzen des eingesetzten Messgerätes zu kennen und keinen Messwerten blind zu vertrauen.

Also: Wer misst misst Mist und wer das nicht weiss, der glaubt den Mist auch noch.

LED-Warrior04

Auf der Lighting Technology 2017 hatten wir die Gelegenheit ein hochwertiges Flickermeter mit einem LED-Warrior04 weit über seine Grenzen zu treiben. Der LED-Warrior04 verwendet die Spread Spectrum PWM-Technik. Dabei wird das PWM Signal nach einem Pseudo-Zufallsprinzip über einen Frequenzbereich von 183 Hz bis 187500 Hz verteilt.

Das Messgerät tastete mit 60 kHz ab und hatte nur in den extremen Dimmlagen nahe 0% und nahe 100% eine Chance. In diesem Dimmbereich reduziert sich der Frequenzbereich, da das hohe Verhältnis zwischen Dunkel- und Hellphase nichts anderes zulässt.

Bei den eher praxisrelevanten mittleren Dimmbereichen zeigte das Messgerät wilde Muster an, wie sie durch Abtastfehler entstehen. Vermeintlich erkannt wurden auch Frequenzen im Bereich um 10 Hz, die einen deutlich sichtbaren Stroboskopeffekt hätten zeigen müssen.

Autor: Guido Körber, Code Mercenaries Hard- und Software GmbH