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

 

Wer misst misst Mist – Fallstricke bei der Flicker-Messung

6 Gedanken zu „Wer misst misst Mist – Fallstricke bei der Flicker-Messung

  • Juli 9, 2018 um 6:22 pm
    Permalink

    Gibt es eigentlich, in der Praxis, eine Art trägheitsbedingte Obergrenze für PWM-Frequenzen bei LEDs? Hat der LED-Warrior04 diese mit seinen 188 kHz schon in Ansätzen erreicht, oder weshalb verringert er bei niedriger sowie hoher Helligkeit die Frequenzen? Ich frage mich, ob das perfekt gemessene Rechtecksignal irgendwann wellig und schließlich zu einer komplett geraden Linie würde, wenn die Frequenz nur hoch genug ist.

    Antworten
    • Juli 9, 2018 um 11:07 pm
      Permalink

      Der LED-Warrior04 verteilt die Impulse über einen möglichst weiten Frequenzbereich, also bei 50% Helligkeit sind Frequenzanteile von 183 Hz bis 187500 Hz enthalten, weitgehend gleichmäßig verteilt, so dass quasi ein Rauschen übrig bleibt.
      Die Obergrenze bestimmt sich daraus wie schnell der DC/DC Wandler anlaufen kann und wie schnell er taktet. Da wir bei minimal 400 kHz laufen, sind mehr als die 187,5 kHz nicht realisierbar, das wären dann weniger als zwei Takte Einschaltzeit, das kriegen dann auch wir nicht mehr hin 🙂
      Die Verringerung des Frequenzbereiches bei den Dimmlagen abseits von 50% ist schlicht eine mathematische Notwendigkeit. Kürzere Ein- oder Auszeiten als die ca. 5 µs die den 187,5 kHz entsprechen, kann der DC/DC Wandler nicht verarbeiten. Entsprechend reduziert sich die Zahl der Pulse in die das Signal zerlegt werden kann um als Ergebnis die gewünschte Helligkeit zu erreichen.

      Antworten
  • Februar 22, 2019 um 12:42 pm
    Permalink

    Vielen Dank für diesen interessanten Bericht, der meine Misserfolge mit Flimmer-Messungen bestätigt.

    Wegen meines Nystagmus kann ich die Bewegungen von elektrischem Licht zumeist mitverfolgen. So ist das stroboskopartige Flimmern vieler LED sowie das Flackern und Aufblitzen von Leuchtstofflampen für mich deutlich wahrnehmbar. Es beeinträchtigt nicht nur mein Wohlgefühl, sondern verursacht beinahe unmittelbar Übelkeit, Schwindel, Orientierungslosigkeit sowie starke Schmerzen in Augen und Kopf, denen bei einer Flimmer-Überdosis Fieber folgt.
    Sobald das Sonnenlicht nicht mehr ausreicht, jenes diskontinuierliche Licht von LED und Leuchtstofflampe aufzufüllen, muss ich dringend eine sichere Umgebung aufsuchen, in der ich mich auch ohne Sehen zurecht finde – das nicht nur nachts. Ein normales Leben zu führen, ist mir so nicht möglich. Es würde mich daher sehr freuen, wenn Lampen und Displays künftig auch auf ihre Seheignung hin überprüft und gekennzeichnet sind.

    In der Hoffnung, dass es mir gelingt, stressfrei mit einer LED zu sehen, hatte mir ein Baubiologe eine „flimmerfreie“ LED (zu 50 € das Stück) testweise zugesandt. Selbst diese war für mein Sehen nicht verträglich.
    Kürzlich brachte mir ein Freund seinen „flimmerfreien“ Monitor, Baujahr 2018, mit 144Hz Bildwiederholrate vorbei. Zwar gibt mein Flimmertester ein Rauschen aus, doch flimmert das Gerät für mich noch immer deutlich erkennbar.
    Auch in vielen Supermärkten sehe ich trotz Glättungskondensatoren nach wie vor Flimmern. Ebenso aus Fahrzeugscheinwerfern, verschiedensten Bildschirmgeräten, LED-Straßenlaternen und -Ampeln, …
    In einem Interview bei Kult.Radio Berlin schildere ich meine Probleme mit flimmernden Lichtern.
    https://www.kultradio.eu/2018/02/01/leben-in-der-disko/

    Als Interessenvertreter für Kunstlichtbetroffene sind mir gleich mehrere Menschen bekannt, die durch LED-Flimmern aus Lampen und Displays epileptische Reaktionen erfahren. Einige darunter müssen notversorgt werden. Und das, obwohl von medizinischer Seite bei den Betroffenen keine epileptischen Neigungen festgestellt werden konnten.
    Von einem Versuchsleiter einer Lichttechnischen Universität erfuhr ich, dass bislang geeignete Verfahren und Instrumente zur umfänglichen Feststellung einer Flimmer-Belastung fehlen. Die aktuelle Diskussion orientiert sich daher lediglich an der visuellen Wahrnehmung des „Normal-Sehenden“. Aus dem Diskussionsbereich „Mensch“ werde ich immer dann herausgerechnet, wenn es darum geht, bis wieviel Hertz der Mensch Lichtveränderungen bewusst wahrnehmen kann. Indes wird die Frage nach Weitergabe und Verarbeitung von – durch Lichtflimmern angeregten – Nervenimpulsen zumeist gar nicht erst gestellt.
    Eine Publikation der University of Essex zur Flimmerwahrnehmung können Sie bei LightAware einsehen:
    https://lightaware.org/2012/01/flicker-can-perceived-saccades-frequencies-excess-1khz/
    „Die neurologischen Auswirkungen der sakkadischen Suppression treten in bewegungsempfindlichen Neuronen auf. …
    Die Schwelle bezogen auf die Mittelwerte der Gruppe betrug 2,35 kHz. …
    Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine zeitlich modulierende Beleuchtung zu einer intrasakkadischen Wahrnehmung der räumlichen Periodizität für Parameterbereiche führen kann, in denen die Beleuchtung mit einer Beeinträchtigung der Augenmotorsteuerung, einer beeinträchtigten Sehleistung, Beschwerden und Kopfschmerzen verbunden ist. Die obere Frequenzgrenze solcher Effekte liegt weit oberhalb der Frequenz, bei der die Modulation als Flimmern wahrgenommen werden kann. “

    Sonnige Grüße
    Maximilian Blaschke

    Interessenvertreter für Kunstlichtbetroffene
    Selbsthilfegruppe LICHTGESUNDHEIT

    Antworten
    • Februar 22, 2019 um 3:25 pm
      Permalink

      Hallo Herr Blaschke,
      ich kann ihnen folgendes mitteilen. a) Es wird in absehbarer Zeit auch gesetzlich einzuhaltende Grenzwerte für Flicker von Lampen und Leuchten geben. Inwieweit das Ihnen schon hilft, kann ich nicht sagen, da wohl für den Durchschnitt gedacht. b) Ist es heute definitiv technisch möglich LED-Licht völlig ohne Flicker zu erzeugen. Achten Sie auf Linear geregelte LED-Vorschaltgeräte (sog. AM Regelung). Mehr dazu auch hier im Blog.
      Was so angeblich „flickerfrei“ ist, sollten Sie mit Vorsicht genießen. Viele erlauben sich diese Angabe, es wäre aber besser zu schreiben: „Flickerfrei gemäß IEEE1789“. Diese Norm gibt eine Grenzwertempfehlung. An der Technik ändert sich jedoch nichts.
      Flickerfreie Grüße, Tom Reichelt

      Antworten
      • März 12, 2019 um 2:05 pm
        Permalink

        Ich danke Ihnen für Ihre Hinweise, Herr Reichelt.

        Die vereinbarten Flimmerwerte (Pst- Grenzwert in Kombination mit dem SVM-Wert) empfinde ich als zu hoch angesetzt. Unabhängig davon, ob wir Lichtflimmern nun bewusst sehen, hat es einen Einfluss auf das Nervensystem. Von einem Versuchsleiter erfuhr ich, dass bislang geeignete Verfahren und Instrumente zur umfänglichen Feststellung dieser Belastung fehlen. Die aktuelle Diskussion orientiert sich daher lediglich an der visuellen Wahrnehmung des Menschen, statt an der Weitergabe und Verarbeitung dieser Reize.

        Ein Physiker baute mir einen Flimmertester zur Selbstbeobachtung. Unser beider Idee ist es, hiermit festzustellen, bis zu welcher Frequenz das Flimmern von Kunstlicht noch erkennbar ist. Seither wurden bereits mehrere Bekannte durch einen Freund getestet. Dieser ist Programmierer und kann somit berufsbedingt als abgehärtet gelten. Im ersten Durchlauf konnte er das Flimmern bis 50 Hz noch wahrnehmen. Beim zweiten Mal – einige Tage später – sah er es bis 55 Hz. Nun sind wir gespannt, ob er sich weiter sensibilisieren kann. Die von ihm Getesteten konnten zumeist ein Flimmern zwischen 50 – 60 Hz sehen. Eine Teilnehmerin sah das Flimmern peripher auch noch bei 70 Hz.
        Da ich das Flimmern selbst bei 800 Hz zweifelsfrei erkennen konnte, haben wir geschaut, wie zuverlässig ich die Frequenz unterscheiden kann. Dafür hat erwähnter Freund willkürlich das Flimmern im Bereich zwischen 200 – 800 Hz (in 100er-Schritten) angewählt und ich sollte ihm jeweils den korrekten Wert benennen – was mir recht sicher gelang. Das haben wir etwa 5 Minuten durchgeführt. Danach war mir übel, schwindelig, mein Kopf schmerzte und meine Augen mussten sich erholen.
        Nun wollen wir erkunden, ob verschiedene LED-Farben womöglich auch verschieden deutlich wahrgenommen werden…?

        Sonnige Grüße
        Maximilian Blaschke

        Antworten
  • Februar 28, 2019 um 6:56 pm
    Permalink

    Ist es erfolgversprechend, für Demonstrationszwecke das Flimmern mit einer rotierenden Lochscheibe zu zeigen? Wenn die Durchlauffrequenz der Löcher gleich der Flimmerfrequenz ist, müsste bei der richtigen Phasenlage die Lampe dunkel sein. In der Nähe der Frequenz müsste die Schwebung zu einem langsamen Flackern führen.
    Hohe Ansprüche an Genauigkeit soll die Bastelei nicht haben. Die Leute sollen nur sehen können, dass die Lampe flimmert.

    Antworten

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

acht + fünf =