Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/leds-schlimmes-flimmern-1907-141846.html    Veröffentlicht: 04.07.2019 12:06    Kurz-URL: https://glm.io/141846

LEDs

Schlimmes Flimmern

LED-Licht zu Hause oder im Auto leuchtet nur selten völlig konstant. Je nach Frequenz und Intensität kann das Flimmern der Leuchtmittel problematisch sein, für manche Menschen sogar gesundheitsschädlich.

Wenn Maximilian Blaschke in Leipzig aus dem Haus geht, hat er nach eigener Aussage immer einen "Notfallkoffer" mit Glühlampen dabei. Die braucht er nämlich, wenn in einer fremden Wohnung Leuchtstoff- oder LED-Lampen genutzt werden. Deren Lichtflimmern habe verheerende Auswirkungen auf seine Augenbewegungsstörung Nystagmus, sagt Blaschke, so dass ihm mindestens übel und schwindlig werde, die Orientierung verloren gehe, Augen und Kopf schmerzten und im Extremfall sogar ein Fieberschub folge. Um das zu verhindern, ersetze er bei Bedarf die energiesparenden Lampen seiner Gastgeber für die Dauer seines Besuchs durch traditionelle Glühlampen.

Der Grund für diese drastische Maßnahme liegt in der inkonstanten Stromversorgung von Leuchtmitteln, die direkt oder indirekt mit Haushaltsstrom betrieben werden. Dessen 230-Volt-Wechselspannung (AC) hat eine Frequenz von 50 Hertz. Das bedeutet, dass es 100 Mal pro Sekunde einen Nulldurchgang gibt, zwei für jede komplette Sinuskurve. Für diese kurzen Momente muss eine Lampe komplett ohne Strom auskommen, wenn keine vorgeschaltete Elektronik für eine gleichmäßigere Versorgung der Leuchtmittel sorgt. Sie flimmert deshalb mehr oder weniger stark im 100-Hertz-Takt.

Selbst unsichtbares Flimmern wirkt noch

Zwar liegt diese Schwankung oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz, bis zu der wir pulsierende Lichtreize bewusst im zentralen Sichtfeld wahrnehmen, sie kann aber unbewusst in der dafür sensibleren Peripherie des Auges detektiert werden. Je nach Amplitude, Wellenform, Frequenz und Dauer belastet auch unmerklich instabiles Licht Augenmuskeln und Nervensystem, führt bei photosensiblen Menschen zu Unwohlsein, Stress, schneller Ermüdung sowie Kopfschmerzen und stört die Verarbeitung von Sinnesreizen im Gehirn. Überdurchschnittlich häufig betroffen sind jüngere Menschen, vor allem in der Pubertät.

Außerdem sollten flimmernde Leuchtmittel wegen erhöhter Unfallgefahr durch den Stroboskopeffekt generell nicht bei Arbeiten an Maschinen mit rotierenden oder sonstigen schnell beweglichen Teilen eingesetzt werden. Für jeden sichtbar macht das Problem ein Stab- oder Fächer-Schnelltest, bei dem man einen länglichen Gegenstand (Stift, Maßstab, Lineal etc.) zwischen Lichtquelle und einem dunklem Hintergrund schnell hin- und herbewegt. Je größer der Hell-/Dunkel-Kontrast und je kleiner die Flimmerfrequenz, desto weniger verschwimmt die Bewegung. Stattdessen sehen wir mehrere, schnell aufeinanderfolgende und relativ scharfe Einzelbilder des Stabes (siehe Foto).

Auch Glühlampen können flimmern

Keinen echten Beweis, jedoch immerhin ein Indiz bietet auch der Blick durch das Display eines Smartphones via Foto- oder Video-App aus kurzer Distanz auf die Lichtquelle: Wenn dunkle horizontale Streifen das normalerweise klare Bild stören (Rolling Shutter), leuchtet das Licht nicht kontinuierlich - je breiter die Streifen, desto schlechter vermutlich die Lampe.

Sehr schön zu beobachten ist das etwa bei Leuchtstoffröhren mit veralteten, konventionellen Vorschaltgeräten, minderwertigen Lampen aus der Frühzeit der Leuchtdiodentechnik oder bei direkt mit Netzstrom versorgten, weitgehend treiberlosen LED-Fadenlampen.

Auch herkömmliche Glühlampen haben mit der unsteten Spannungsversorgung zu kämpfen, verringern aber die Schwankung durch die Temperaturträgheit ihrer Glühfäden. Sie werden deshalb fast durchweg als angenehm empfunden, obwohl sie eine messbare Helligkeitsdifferenz von bis zu rund 20 Prozent bei 100 Hertz haben können. Messungen mit der App Flicker Tester des dänischen Spezialisten Viso Systems ergaben beispielsweise bei einer handelsüblichen, klaren 60-Watt-Glühlampe mit E27-Sockel einen Flimmergrad von 17 Prozent.

Stabiles LED-Licht ist schwer zu erzeugen

Thomas Alva Edison (vom dem das "E" in den Größenbezeichnungen der Schraubsockellampen stammt) könnte jetzt als Entwickler der ersten im Alltag verwendbaren Glühlampe mit der Schulter zucken und sich für unschuldig erklären. Er hatte seine Leuchtmittel um das Jahr 1880 herum für Gleichspannung (DC) konzipiert, mit der sie tatsächlich völlig flimmer- und flackerfrei waren, solange die Stromversorgung konstant blieb.

Das wäre theoretisch auch heute noch der Königsweg. Da wir aber deutlich umwelt- und energiekostenbewusster sind als zu Edisons Zeiten, haben wir stromhungrige Glühlampen inzwischen weitgehend durch sparsamere Gasentladungs- und LED-Leuchtmittel ersetzt. Und hier ist absolut stabiles Licht selbst am Gleichstrom in der Praxis nur schwer zu realisieren.

Jede Leuchtdiode hat nämlich ihre eigenen Ansprüche in Sachen Spannung (Volt) und Strom (Ampere) und arbeitet nur dann wunschgemäß, effizient und langlebig, wenn beides innerhalb einer engen Toleranzspanne bleibt. Unterhalb ihrer jeweiligen Durchlassspannung bleibt sie beispielsweise komplett dunkel. Bereits eine kleine Erhöhung der Spannung führt aber schon zu einem starken Stromanstieg, weil diese Relation nicht linear, sondern halbleitertypisch exponentiell ist.

Eine Stromänderung wirkt sich wiederum auf die Helligkeit, Effizienz und Temperatur und damit auch auf die Lebensdauer und sogar auf die Spektralverteilung (Lichtfarbe) einer weiß leuchtenden LED aus - hier wurden bei Studien an der Technischen Universität Darmstadt Farbtemperaturdifferenzen von teils über 300 Kelvin gemessen. Faustregel: Je stärker bestromt und heißer eine weiße LED wird, desto kaltweißer leuchtet sie, weil ihr höherfrequenter Blaulichtanteil steigt. Und oberhalb ihrer Sperrspannung (meist schon bei 5 bis 6 Volt) stellt die Diode ihren Dienst sofort und final ein.

LEDs im Haus brauchen Treiber

Dort, wo es nur Haushaltsnetzstrom mit 230 Volt und 50-Hertz-Wechselspannung als primäre Energieversorgung gibt, muss die von LEDs benötigte niedrige Gleichspannung mit internen oder externen Geräten erzeugt werden. Je nach Platzangebot, Kostenkalkulation, technischer Zielsetzung und gutem Willen des Herstellers arbeiten darin Kondensator- oder Schaltnetzteile mit jeweils nachgelagerter Gleichrichtung und Siebung bzw. Pufferung des Stroms.

Jedes Konzept hat seine Vor- und Nachteile und stets die undankbare Aufgabe, die Zielkonflikte zwischen Wirkungsgrad, elektromagnetischer Verträglichkeit, Gesamtleistung und Blindleistungsfaktor, Störspannungsresistenz, Hitzeentwicklung sowie Spannungs- und Stromglättung zur flimmerarmen LED-Versorgung zu lösen. Keinem Treiber kann das perfekt gelingen; er ist immer ein Kompromiss.

Wie nahe ein Gerät dem Optimum kommt, kann der durchschnittliche Kunde vor dem Kauf nicht ahnen; die Verpackungen und Datenblätter verraten wenig über die realen Betriebseigenschaften und bieten allenfalls einige Indizien. Vereinfacht lässt sich sagen: Je kleiner das LED-Lampen- oder -Treibergehäuse und je billiger das Produkt ist, desto wahrscheinlicher ist eine Restwelligkeit auf der Sekundärseite, vorwiegend bei Kondensatornetzteilen. Die erzeugte Gleichspannung ist also häufig eher ein "Wackelstrom", der für mehr oder weniger starkes Flimmern im 100-Hertz-Takt sorgt.

PWM regelt die Leuchtdioden im Auto

Flimmerlicht kann es auch im Auto geben, wo man LED-Leuchten und -Scheinwerfer eigentlich ohne aufwendige Treiber über einen Vorwiderstand direkt aus der Kfz-Batterie versorgen könnte. Deren Gleichspannung ist zwar einigermaßen akzeptabel für Halogen- und sonstige Glühlampen, aber viel zu instabil, um Leuchtdioden bei konsistenter Helligkeit, Lichtfarbe und Lebensdauer zu halten. Also muss eine Zwischenstufe eingebaut werden. Das ist bei Kraftfahrzeugen meistens ein Controller mit Pulsweitenmodulation (PWM) . Er schaltet die verzögerungsfrei reagierenden LEDs in schneller Folge an und aus, wobei mittels Stromstärke, Puls- und Periodendauer (Tastverhältnis) eine mittlere Helligkeit für unser relativ träges Auge komponiert wird.

Ist die Frequenz dieser PWM jedoch zu niedrig und/oder das Tastverhältnis zu klein, nehmen wir das Licht als flackernd, pulsierend oder flimmernd wahr. Vor allem nachts sehen wir ältere Kfz-LED-Rückleuchten als Stroboskope oder - bei schnellen Augenbewegungen - selbst modernere Typen mit Perlschnureffekt. Probleme macht eine zu grobe PWM-Regelung auch bei der Kfz-Innenbeleuchtung und der korrekten Erkennung von LED-Armaturenanzeigen.

Auch beim Dimmen kann's flimmern

Wer daheim die Helligkeit seines LED-Lichts stufenlos steuern will, holt sich häufig ähnlichen Ärger ins Haus - selbst mit sehr hochwertigen dimmbaren Lampen und Leuchten. Denn sie verwenden fast immer dieselbe Regeltechnik wie die Kfz-LEDs. Während aktuelle Leuchtmittel dank hochfrequenter Pulsweitenmodulation bei Volllast oder an einem normalen Schalter noch stabil bleiben, können sie an haushaltsüblichen, für Glühlampen konzipierten Dimmern bei reduzierter Helligkeit und kleineren Tastverhältnissen teilweise zu wahren Flimmer-Monstern mutieren - gerne auch begleitet von störenden Surrgeräuschen. Noch dazu ist der Regelbereich fast immer merklich schmaler als die ideale Spanne von maximaler Leuchtleistung bis zu völliger Dunkelheit.

Nicht jeder LED-Hersteller hat schon herausgefunden, wie und mit welchen Dimmermodellen diese Schwächen zuverlässig verhindert werden können. Im besten Fall findet sich auf seiner Webseite zu jedem dimmbaren Leuchtmittel eine Dimmer-Kompatibilitätsliste, im schlechtesten Fall müssen Nutzer die Verträglichkeit mit ihrer Hausinstallation selbst testen.

Glühlampen als vorläufige Notlösung

Maximilian Blaschke und seinen flimmersensiblen Leidensgenossen der Selbsthilfegruppe Lichtgesundheit in Leipzig wird durch all diese Hindernisse der Umstieg auf stromsparende Lichttechnik extrem erschwert. Aktuell behelfen sie sich deshalb noch mit frei verkäuflichen Glüh- und Halogenlampen, die der Einzelhandel auf wundersame Weise weiterhin in großen Stückzahlen bereithalten kann.

Zwar haben vor rund zehn und sieben Jahren erlassene EG- beziehungsweise EU-Verordnungen (PDF) nach und nach Herstellung, Import und Großhandel der meisten wattstarken, traditionellen Leuchtmitteltypen in der Europäischen Union verboten, jedoch nicht den Verkauf von Lagerware an Verbraucher. Und davon scheint es jede Menge zu geben - Versorgungsengpässe sind nicht in Sicht. Aber ist diese wegen der hohen Stromkosten langfristig teure Ausweichlösung wirklich die einzige Alternative für Flimmersensible? Und wie stabil muss LED-Licht leuchten, um auch Maximilian Blaschke zufriedenzustellen?

Tierversuche können hier übrigens keine Klarheit schaffen, weil beispielsweise Insekten und Vögel ein viel breiteres Lichtspektrum haben und weit höhere Flimmerfrequenzen wahrnehmen können als wir. Tatsächlich wurden schon Hühner (PDF) und Nymphensittiche beobachtet, die in LED-beleuchteter Umgebung offenbar Orientierungsprobleme bekamen und die Lust am freien Flattern außerhalb des Käfigs verloren. Aber kein Grund zur Panik für Vogelfreunde: Es gibt immer mehr flimmerarme Halbleiterlichtprodukte, die einen störungsfreien Flugbetrieb ermöglichen.

Große Fortschritte bei der LED-Technik

Der nordbadische Diplom-Ingenieur Peter Erwin ist selbst überdurchschnittlich photosensibel, in Fachkreisen ist er als Lichtpeter und Entwickler der Maßeinheit Kompaktflimmergrad (CFD) bekannt. Er hat eindeutige Hinweise auf eine positive Entwicklung: Bei ausführlichen Messungen mit über 1.200 LED-Leuchtmitteln befanden sich zwar vor allem zu Beginn seiner Arbeit 2015 die kompakt gebauten, wechselstrombetriebenen Lampen mit E14-, GU10-, R7s- und G9-Sockeln überproportional unter den heftigsten Flimmerkandidaten.

Vorwiegend unauffällig blieben dagegen ordentlich konstruierte E27-Birnen und integrierte Leuchten mit relativ großem Gehäuse, in denen unter den LED-Komponenten noch genug Platz für aufwendige Elektronik und ausreichende Wärmeabfuhr bleibt. Laut Erwin haben seriöse Hersteller, denen die Flimmerarmut wichtig ist, in jüngster Zeit große technische Fortschritte erzielt. Inzwischen gibt es auch zahlreiche kleine LED-Retrofit-Bauformen mit sehr gutem Flimmerverhalten zum direkten Ersatz von Glühlampen - sogar in dimmbaren Varianten.

Stromdimmung wird beliebter

Markus Gehnen, Professor der Technischen Hochschule Georg Agricola in Bochum, hat in seinem Wissenschaftsbereich das LED-Flimmern ausführlich untersucht und vermittelt im Gespräch mit Golem.de ebenfalls vorsichtigen Optimismus: "Generell habe ich den Eindruck, dass die Beleuchtungstechnik besser wird. Bei seriösen Herstellern findet man in den Datenblättern der Treiber inzwischen häufiger Angaben zur oft erfreulich hohen PWM-Frequenz. Stromdimmung wird mittlerweile auch häufiger praktiziert. Früher war das unbeliebt, weil geringe Ströme Exemplarstreuungen der LEDs sichtbar machten und Helligkeit oder Lichtfarbe scheckig wurden. Immer bessere Fertigungsverfahren mit geringeren Toleranzen haben das Problem jedoch entschärft."

Wer ganz sicher gehen will, kauft einen guten externen LED-Konstantstromtreiber mit 230-Volt-AC/12-Volt-DC-Wandler und schließt gleichspannungstaugliche, nicht dimmbare und völlig flimmerfreie LED-Lampen an. Alles, was dann eventuell noch stören kann, sind kurze, heftige Unregelmäßigkeiten im Primärstromnetz - etwa, wenn in der Nachbarschaft sehr starke Elektrogeräte (Maschinen) an- oder ausgeschaltet werden oder wenn der Stromversorger Rundsteuersignale sendet. Das macht sich jedoch allenfalls als kurzzeitiges, niederfrequentes Flackern bemerkbar und hat nichts mit dem nervigen Dauerflimmern zu tun.

Flimmerfreies Dimmen ist möglich

Wer auf Helligkeitsregelung in der Wohnung nicht verzichten will, sollte bei PWM-Ansteuerung der LEDs auf eine ausreichend hohe Regelfrequenz achten. Um auch unterbewusst detektiertes Flimmern zuverlässig zu verhindern, werden in verschiedenen Studien (PDF) Taktraten von mindestens einem Kilohertz empfohlen.

Flimmerexperte Peter Erwin plädiert dagegen für wesentlich höhere Frequenzen. Schließlich seien ein Ruhezustand der Augen und ein rein statischer Einfluss von Lichtquellen die absolute Ausnahme und nicht die Normalität. Im Alltag - etwa im Straßenverkehr - dominierten mehr oder weniger schnelle Bewegungen und Winkelgeschwindigkeiten. Erst bei PWM-Taktungen von etwa 2,5 kHz bei Kfz- und Allgemeinbeleuchtung seien wirklich alle negativen Effekte zuverlässig ausgeschlossen.

Eine weitere Alternative für zu Hause: LED-Lampen und -Leuchten, die sich mit einem einfachen Schalter kontinuierlich oder in Stufen flimmerfrei dimmen lassen. Eine Option ist ein komplettes Smart-Lighting-Steuerungssystem mit aufeinander abgestimmten Komponenten, das ebenfalls ohne alte Haushalts-Dimmertechnologie auskommt und damit konzeptionell bessere Voraussetzungen für Flimmerfreiheit bietet.

Nächste EU-Verordnung regelt auch Flimmern

Hilfe dürfen Flimmersensible wie Maximilian Blaschke bald auch auf europäischer Regelungsebene erwarten: Im September 2021 soll eine neue EU-Ökodesign-Verordnung für Lichtquellen und separate Betriebsgeräte in Kraft treten. Sie wird drei Vorgängerpapiere aus den Jahren 2009 und 2012 ersetzen und befindet sich aktuell in der finalen Entwurfsphase (PDF). Erstmals gibt es darin auch Vorgaben für Flacker- und Flimmerwerte, an denen Diplom-Ingenieur Peter Erwin mitgearbeitet hat.

Zum einen wird dafür der genormte Parameter Pst LM für Frequenzen von 0,3 bis knapp unter 80 Hertz verwendet - "st" für "short term" (Kurzzeit) und "LM" für die vorgegebene Licht-Messmethode inklusive simulierter Störungen der Stromversorgung. Zum anderen kommt mit SVM (Stroboscopic Visibility Measure) eine genormte Messgröße für Frequenzen zwischen 80 Hertz und 2 Kilohertz ins Regelwerk. Ein Pst-LM- oder SVM-Grenzwert von 1 bedeutet beispielsweise, dass ein hypothetischer Durchschnittsnutzer das Flackern beziehungsweise Flimmern und Stroboskopeffekte mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent gerade noch erkennen kann. Dass im aktuellen Entwurf "Pst LM ≤1,0" steht, ist allerdings für LED-Licht weitgehend irrelevant, weil hier die wirklich störenden Flimmerfrequenzen über 80 Hertz liegen.

Diskussion um Grenzwerte

Welche Grenzwerte für beide Parameter tatsächlich in der endgültigen Ökodesign-Verordnung landen, steht wohl erst im Lauf dieses Monats mit der Annahme durch die noch amtierende Juncker-EU-Kommission in Brüssel beziehungsweise mit der für September geplanten Veröffentlichung im Amtsblatt fest (PDF). Bis dahin wurde und wird eine teils heiße Diskussion (PDF) geführt. Unter anderem möchte die Hersteller-Lobbyorganisation Lighting Europe den aktuell im Entwurf stehenden, relativ strengen SVM-Grenzwert von 0,4 gerne auf 1,6 erhöhen (PDF).

Für viele derzeit handelsübliche, PWM-geregelte LED-Leuchtmittel und Treiber wäre die 0,4-Hürde unerreichbar, obwohl sie ausschließlich bei Volllast, also ungedimmt gemessen würden. Häufig liegen aber ihre Regelfrequenzen selbst bei voller Helligkeit nur zwischen 400 Hertz und rund 1 kHz - zu grob für die geplante EU-Flimmer-Messfrequenzspanne bis 2 kHz. Hier müssten die Anbieter also bis Herbst 2021 kräftig nacharbeiten - zum Wohl von Maximilian Blaschke, Peter Erwin und vielen anderen Flimmersensiblen.

 (wme)


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