Flimmern von LEDs

Tageslicht und das Licht von Glühlampen, unterliegt keine schnellen Schwankungen in der Helligkeit. LEDs und Leuchtstoffröhren sowie Energiesparlampen flimmern (flickern). Ob dies eine Auswirkung auf den Menschen hat, ist wissenschaftlich nicht erwiesen. Fest steht das Vögel das Flickern (englisch „photometric flicker“) deutlicher wahrnehmen. Die Anforderungen an eine artgerechte Hühnerhaltung haben die Lichttechnik weiter entwickelt. Heute gibt es LED-Beleuchtung, die nahezu flickerfrei ist.

Gründe für das Flimmern

Eine Leuchtdiode (LED) lässt Strom wie jede andere Diode ist in einer Richtung fast ungehindert passieren und blockiert den Strom in die andere Richtung fast vollständig. Der Techniker spricht von Durchlassrichtung und Sperrrichtung. Trifft eine zu starke Spannung in Sperrrichtung auf eine LED, führt dies in kürzester Zeit zu einem Defekt.

Die Spannung von Wechselstrom ändert sich in den sogenannten Verbundnetzen Europas, Asiens, Australiens mit einer Frequenz von 50 Hz. Dies ist auch in weiten Teilen von Afrika und Südamerika der Fall.

Pro Sekunde vollführt die Spannung 50 solcher Sinuswellen. Das heißt, dass der Strom jeder Sekunde 50-mal in die Sperrrichtung fließt.

Sinusschwingung

Spannungsverkauf bei Wechselstrom

Um die LED vor Schaden zu bewahren, ist ein Gleichrichten erforderlich. Eine einfache Schaltung führt zu diesem Spannungsverlauf:

ungünstig gleichgerichteter Wechselstrom

Der für die LED ungeeignete Strom wird abgespalten und in Wärme verwandelt. Das führt dazu, dass die LED 50-mal in der Sekunde nicht von Strom durchflossen ist. Das Licht flimmert mit einer Frequenz von 50 Hz.

Hinweis: Glühlampen erzeugen das Licht durch Wärme. Dies führt zu einer Trägheit. Der Spannungswechsel verändert daher deren Licht so gut wie nicht.

Bessere Schaltungen verschwenden den Strom nicht, sondern kehren ihn um. So kann der gesamte Strom von der LED genutzt werden.

gepulster Gleichstrom

Es handelt sich nun um einen pulsierenden Gleichstrom, der mit einer Frequenz von 100 Hertz das Licht flimmern lässt.

Wie schädlich ist das flickern?

Laut dem Internationalen Elektrotechnischem Wörterbuch ist Flicker die visuelle Wahrnehmung von Schwankungen des Lichtreizes, dessen Leuchtdichte oder Spektralverteilung, während Flimmern die tatsächliche Änderung der Leuchtdichte ist. Allerdings zeigen Untersuchungen, dass die subjektive Wahrnehmung von geringer Bedeutung ist.

Die meisten Leuchtstoffröhren zeigen ebenfalls ein 100 Hertz Flimmern und bisher gibt es kaum Klagen, dass Menschen unter diesem flackern des Lichts leiden. Menschen haben eine Bildauflösung (Flickererkennung) zwischen 15 und 80 Hz. Nur wenige Menschen bemerken abhängig von der Lichtintensität und Lichtfarbe ein Flimmern im 50 Hz Bereich. Flickerfrequenzen von 100 Hz sind für Menschen nicht sichtbar.

Hausgeflügel sieht ein Flickern bis in den 160 Hz Bereich. Daher ist für die Beleuchtung von Hühnerställen LED-Licht, das mit pulsierendem Gleichstrom betrieben wird, ungeeignet. Da EU-Verordnungen, die schrittweise verschärft werden, verbieten Lampen mit hohem Energieverbrauch einzusetzen, gibt es de facto bald ein Verbot von allen Glühbirnen. Ersatzlichtquellen, mit einem Flickern oberhalb von 160 Hz sind für Geflügelfarmen, dringend erforderlich.

Obwohl Menschen ein 100-Hz-Flickern nicht sehen können, sind Probleme, die durch das Flickern ausgelöst werden, nicht auszuschließen. Bekannt ist, dass schnelle Bewegungen von Maschinen unter Umständen nicht richtig erfasst werden, wenn das Licht flimmert.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass einer von 4000 Menschen auf Flimmern im Bereich von 3 bis 70 Hz mit starken Beschwerden bis hin zu epileptischen Anfällen reagiert. Flickern mit Frequenzen von 70 bis 160 Hz kann zu Unwohlsein, Kopfschmerzen und Sehstörungen führen, obwohl Menschen das Flackern nicht bewusst wahrnehmen. Es scheint so, dass die Beschwerden stärker sind, wenn sich das Licht nur in der Helligkeit ändert, aber nicht völlig dunkel wird.

(Quelle: “A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker,” IEEE Standard P1789, Februar 2010)

Die Erkenntnisse sind in die Regelungen der USA eingeflossen. Das “ENERGY STAR”-Label der US-Bundesbehörde dürfen nur LED-Leuchtmittel tragen, die mit mehr als 120 Hz flickern.

Möglichkeiten das Flimmern zu verhindern

In der Praxis puffern Kondensatoren den Spannungsabfall. Kondensatoren sind Bauteile, die sich schnell mit Strom aufladen und diesen kurzfristig abgeben. Der Spannungsverlauf ändert sich etwa in dieser Art.

geglätteter Gleichstrom

Die rote Linie zeigt, welche Auswirkungen der Kondensator hat. Der Nachteil ist, dass er sich beim Einschalten der Lampe erst aufladen muss. Das Licht geht nicht sofort an. Die Einschaltverzögerung liegt aber in einem tolerablen Bereich.

Es ist trotzdem nicht sinnvoll alleine auf diese Art das Flickern zu dämmen, denn zu einem verbraucht diese Schaltung Energie und zum anderen, verhindert sie lediglich ein völliges Absinken der Spannung. Heute gehen die Wissenschaftler wie erwähnt davon aus, dass es schädlicher ist, wenn das Licht nur dunkler wird, aber nicht völlig ausgeht.

Die beste Lösung ist daher eine verlustarme, sehr hoch getaktete Schaltregelung in Verbindung mit einem Kondensator als Puffer. Die Spannung verläuft etwa in dieser Art.

hochfrequenter Gleichstrom

Flickern mit Frequenzen von über 200 Hz ist nach Ansicht der Wissenschaftler für Menschen kein Problem. In gewisser Weise verdanken die Menschen den Hühnern gesünderes Licht.

Möglichkeiten das Licht zu testen

Bisher schreibt die EU nicht vor, dass die Hersteller das Flickerverhalten ihrer Leuchtmittel angeben. Einige Hersteller machen dies auf freiwilliger Basis. Das Flickern wird mit dem Flicker-Index angegeben. Diesen kann jeder selbst mit einem Messgerät wie dem UPRtek Hand-Flickermeter MF250N für etwa 1.300 Euro oder mit einer App für das Handy messen.

Hinweis: Die Apps messen meist in zu großen Abständen und geben daher völlig falsche Werte an, wenn die LED über Hochfrequenz für ein geringes Flickern sorgt. Daher sind Messungen mit den Apps nicht sinnvoll.

Raster einer ungünstigen Flickermessung

Das zu große Messraster täuscht eine falsche Flimmerfrequenz vor.

Ein einfacher Test ist ohne Hilfsmittel möglich. Man lässt einen Stift zwischen Daumen und Zeigefinger wippen. Sieht die Bewegung des Stifts flüssig aus, flimmert das Licht nicht.

Tipps für den Kauf

Der sogenannte Flicker Index ist das objektive Maß für das Flimmern. LED-Leuchtmittel können einen Flicker Index von bis zu 0,5 aufweisen. Dieser stört viele Menschen nicht. Jedes künstliche Licht ist nicht absolut einheitlich. Selbst eine Glühbirne zeigt ein ganz schwaches Flackern.

Leuchtmittel und Flicker Index

Lampe Flicker Index
Glühlampe 0,02
100 Watt Entladungslampe 0,14
Leuchtstoffröhre 0,08 - 0,15
LED flimmerarm/geringes flickern 0,1 – 0,25
LED flimmerfrei/flickerfrei < 0,1

Die wenigsten Menschen nehmen Flickern bewusst war. Beschwerden sind ebenfalls selten zu beobachten, es sei denn an Arbeitsplätzen, an denen schnelle Bewegungen beobachtet werden müssen.

Wer aber sicher sein möchte, dass ihm das Licht keine Beschwerden verursacht, greift auf Leuchtmittel zurück, die als flickerarm/geringes flimmern (0,1-0,25) gekennzeichnet sind. Für spezielle Anwendungen, wie das Ausleuchten von Fotomotiven sind Leuchtmittel, die als flickerfrei/flimmerfrei (Index <0,1) ausgewiesen sind zu empfehlen.