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Lichtflimmern: Ursache und Vermessung

Fortsetzung des Artikels von Teil 3.

Messverfahren im Überblick

Gewichtungskurven Bildquelle: © Peter Erwin/www.derlichtpeter.de

Bild 2: Gewichtungskurven der Messverfahren im Vergleich. Die CFD-Kurve geht über die Flimmerverschmelzungsfrequenz hinaus.

Für alle existierenden Messverfahren wird das optische Lichtsignal in ein elektrisches Spannungssignal umgeformt, wofür die Hardware folgende Komponenten aufweist:

Verwendung einer V-Lambda-Fotodiode zur Unterdrückung des nicht sichtbaren infraroten Lichtanteils, z. B. den der Glühlampe.

  • Variabler Transimpedanzverstärker zur optimalen Nutzung des vertikalen Messbereichs.
  • Antialiasing-Tiefpass zur Einhaltung des Abtasttheorems, abhängig von der Abtastfrequenz.
  • Analog-Digital-Umsetzer mit einer Abtastfrequenz zwischen 2 kHz und 500 kHz zur ausreichenden Darstellung und Verrechnung.
  • Je nach Berechnungsverfahren eine Erfassung von mindestens fünf Perioden bis zu einer Sekunde Dauer.

Das derart aufbereitete und digitalisierte Messsignal wird im Anschluss einer Berechnung unterzogen, die entweder dem Ansatz »zeitbasiert« oder »frequenzbasiert« folgt.

Zeitbasierte Verfahren

Verfahren auf Zeitbasis sind einfach implementierbar, aber als generische Messgröße ungeeignet, weil sich der berechnete Wert hauptsächlich aus Amplitudenverhältnissen ergibt. Von Nachteil ist außerdem, dass sie Grundfrequenz und Kurvenform nicht berücksichtigen und auch die Forderung nach einer frequenzabhängigen Gewichtung nicht erfüllen.

Zu den zeitbasierten Berechnungsverfahren zählt das Messverfahren »RP-16-10« der Illumination Engineering Society North America (IES). Statt eines einzelnen Messwerts liefert es zwei Werte (%Flicker und Flicker index), die nur gemeinsam zu einer Bewertung führen – wie, ist jedoch nicht spezifiziert.

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers benutzt nach der IEEE 1789 (RP1) ebenfalls den Modulationsgrad und beurteilt ihn mit »ok« oder »risky« nach einem Grenzwert, der sich auf die Grundfrequenz bezieht. Dadurch werden Modulationen niedriger Frequenzen strenger bewertet als die hoher Frequenzen. Nicht-sinusförmige Signale werden jedoch nicht unterschieden: Die Amplitude eines noch für gut befundenes Quasi-Sinussignals weist hier keinen Unterschied zu einem schmalen Rechtecksignal gleicher Amplitude auf. Letzteres wird jedoch stärker wahrgenommen. Zudem sind die Grenzwerte sehr scharf gesetzt. Auch eine Standard-Glühlampe wäre hier als »risky« eingestuft.

Frequenzbasierte Verfahren

Für diese Verfahren wird das Messsignal in seine Frequenzanteile zerlegt. Periodische Signale lassen sich damit als ein diskretes Spektrum einzelner Frequenzanteile beschreiben. Die Grundfrequenz, weitere Frequenzkomponenten und damit die Kurvenform gehen bei nicht sinusförmigem Verlauf in die Berechnung ein. Entscheidend im Unterschied zu den zeitbasierten Berechnungsverfahren sind die Einbeziehung von Frequenzen und die frequenzabhängige Gewichtung basierend auf der Sensibilität für den Menschen. Alle im Folgenden aufgezählten Verfahren weisen aber Nachteile auf:

Für die JEITA-Methode wird auf alle Frequenzanteile eine frequenzabhängige Gewichtungskennlinie angewendet, die jedoch Frequenzen ≥ 65 Hz mit 0 bewertet. Die doppelte Netzfrequenz und der Perlschnureffekt bleiben unberücksichtigt.

Die Gruppe ASSIST des Lighting Research Center gewichtet die Frequenzen des Signals nach einer Kennlinie, die sich an die Studien mit der Flimmerfusionsfrequenz von 70 Hz anlehnt. Die doppelte Netzfrequenz und der Perlschnureffekt bleiben auch hier unberücksichtigt.

Gemäß California Energy Comission (angewendet als »UL Verified Low Optical Flicker«) werden die Signalanteile mit digitalem Filter oberhalb 200 Hz abgeschnitten und das Licht als flimmerfrei betrachtet, wenn die Modulation des restlichen Signals unter 30 Prozent liegt. Deutlich wahrnehmbares Flimmern (z. B. 10-Prozent-Modulation bei 30 Hz) und der Perlschnureffekt (oberhalb 200 Hz) bleiben unberücksichtigt.

Der CFD liefert sein Messergebnis als einfachen Prozentwert, der sich in ein Ampelsystem einordnen lässt. Bildquelle: © Peter Erwin/www.derlichtpeter.de

Tabelle 1: Der CFD liefert sein Messergebnis als einfachen Prozentwert, der sich in ein Ampelsystem einordnen lässt.

Das CFD-Verfahren

Auf dem »LED Professional Symposium LpS 2016« in Bregenz ist in diesem Jahr ein weiteres Verfahren vorgestellt worden: der Kompaktflimmergrad CFD (Compact Flicker Degree). Das CFD-Verfahren gewichtet die Frequenzanteile im unteren Bereich (bis 70 Hz) den genannten Wahrnehmungsstudien entsprechend. Im Bereich darüber wird eine Gewichtung vorgenommen, die auch ein 2-kHz-Stroboskopflimmern nicht als flimmerfrei wertet (Bild 2).

Der CFD erfüllt nicht nur alle oben genannten Anforderungen an ein Maß für die Lichtmodulation, er liefert sein Messergebnis auch als einfachen Prozentwert. Er berechnet sich aus der Quadratsumme aller frequenzabhängig gewichteten Frequenzanteile bezogen auf den Gleichanteil des Lichtsignals. Die frequenzabhängige Gewichtung ist proportional zur frequenzabhängigen Wahrnehmungsempfindlichkeit des Menschen. Der CFD-Prozentwert lässt nach einem Ampelsystem in eine Qualitätsstufe kategorisieren (Tabelle 1) und eignet sich als technische Angabe in einem Datenblatt.