Lichtflimmern: Warum es auf die Vorschaltelektronik ankommt

Die moderne Technik macht’s möglich: Mit dem Smartphone oder der Kamera lassen sich überall und jederzeit Videos aufnehmen – das Endergebnis ist aber manchmal enttäuschend. Weil zum Beispiel ein schwarzer Balken durchs Bild läuft. Dafür verantwortlich ist die künstliche Beleuchtung in Innenräumen bzw. das vom künstlichen Licht erzeugte Lichtflimmern. Mit diesem Thema hat sich Peter Erwin, Diplom-Ingenieur für Elektrotechnik aus der Nähe von Karlsruhe, in letzter Zeit intensiv beschäftigt und betreibt sogar eine eigene Website. Im Prediger-Experteninterview erklärt er unter anderem, was Lichtflimmern ist, wie es entsteht und wie man flimmernde Leuchtmittel ausfindig macht.

Sehr geehrter Herr Erwin, Sie beschäftigen sich seit geraumer Zeit mit dem Thema Lichtflimmern bei LEDs. Was genau ist Lichtflimmern?

Peter Erwin. Foto: privat

Peter Erwin. Foto: privat

Als Lichtflimmern werden die Leuchtdichte- bzw. Helligkeitsschwankungen eines elektrisch betriebenen Leuchtmittels bezeichnet, die vom Aufbau und der Konstruktion des Leuchtmittels abhängen. Für die Auswirkungen auf den Organismus sind Amplitude und Grundfrequenz bzw. alle Frequenzanteile ausschlaggebend. Beide Parameter hängen von der Technik des Leuchtmittels ab, wobei die Frequenzanteile meistens durch die doppelte Netzfrequenz (100 Hz), bestimmt werden, und die Amplitude durch technische Maßnahmen, die den Wechselanteil reduzieren. Idealerweise – so war es einst von Edison gedacht – fließt ein Gleichstrom, der das Licht so gleichförmig wie die Sonne generiert. Erst seit der Existenz des Wechselstroms ist das Lichtflimmern ein Thema, wobei es grundsätzlich egal ist, ob Glühlampen, Leuchtstofflampen oder LEDs eingesetzt werden.

Wann tritt bei Leuchtmitteln das so genannte Lichtflimmern auf?

Es tritt dann auf, wenn nicht ausreichend Maßnahmen ergriffen werden, um es auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Der Glühlampe wohnt diese Eigenschaft inne, denn die thermische Trägheit des Glühfadens reicht dafür aus, wobei hier die Stärke des Glühfadens die entscheidende Größe ist: 12V-Leuchtmittel sind sehr träge, 230V-Glühlampen schon weniger und Halogenlampen noch etwas weniger. Für Leuchtstofflampen (Röhren oder Energiesparlampen) und LEDs ist eine elektronische Vorschaltung erforderlich, die die Wechselspannung in eine mit sehr hoher Frequenz oder Gleichstrom umwandelt. Gerne wird hier allerdings von den Herstellern der Rotstift angesetzt.

Wie können Kunden ohne große technische Hilfsmittel erkennen, ob eine LED-Lampe flimmert?

Ich denke zur notwendigen qualitativen Beurteilung für den Kunden reicht der „Stabtest“ aus.
Für diesen einfachen Test beleuchtet man einen hellen Gegenstand – idealerweise ist dies ein weißer, dünner Stab von etwa 15 cm Länge – oder den ausgestreckten Zeigefinger in wenigen Zentimetern Abstand. Diesen bewegt man schnell hin- und her, am besten noch vor einem dunklen Hintergrund. Beobachtet man das angeleuchtete Objekt, dann sieht man bei nicht vorhandenem Flimmern einen gleichmäßigen Schweif. Je stärker jedoch das Flimmern auftritt, desto mehr wird der Schweif zu einem Fächer. In der extremsten Form kennen wir das von der Bewegung im Stroboskoplicht aus der Diskothek, wo die Objekte nur kurzzeitig sichtbar sind.

Der Stabtest: Je stärker das Lichtflimmern auftritt, desto mehr wird der Schweif zu einem Fächer (wie im Bild rechts). Foto: Erwin

Der Stabtest mit Hilfe eines weißen Gliedermaßstabs: Je stärker das Lichtflimmern auftritt, desto mehr wird der Schweif zu einem Fächer (wie im Bild rechts zu sehen). Foto: Erwin

Ist Lichtflimmern gesundheitsschädlich?

Das Lichtflimmern belastet das Nervensystem mit dem Grad des Flimmerns. Jede Bewegung in flimmerndem Licht – insbesondere bei starkem, stroboskopartigem Flimmern, welches Dunkelphasen enthält – wird vom Gehirn automatisch zu einem fließendem Bild zusammen gesetzt, was für die korrekte Wahrnehmung und Einschätzung von Bewegungsabläufen essenziell ist. Das endet bei vielen Menschen bei längerem Flimmern und Überlastung mit Kopfschmerzen. Auch wenn das Lichtflimmern bei 100 Hz den meisten Menschen nicht bewusst auffällt, so wird es aber doch vollständig von der Retina zum Gehirn weitergeleitet und entsprechend verarbeitet. Erst statische Bilder mit Frequenzen von über 250 Hz verschmelzen in der Retina zu einem Fließbild. Bei bewegten Bildern liegt diese Frequenz bei über 2 kHz (Perlenschnur-Effekt).
Nachgewiesen wurden bei 1 von 4.000 Menschen Risiken durch Epilepsie-Anfälle im Frequenzbereich von 3 Hz bis 70 Hz; die 100 Hz sind nicht weit genug entfernt, um jedes Risiko auszuschließen. Nach DIN EN 12464-1 können Stroboskopeffekte bei Tätigkeiten am Arbeitsplatz gefährliche Situationen erzeugen, weil sie die Wahrnehmung rotierender oder sich hin und her bewegender Teile vollkommen verändern. Darüber hinaus wirkt sich das Lichtflimmern negativ auf Hirnströme, Hormone, Nervosität, neurologische Abläufe, Verarbeitungs- und Steuerungszentren, Koordination, und Stoffwechsel aus. Mir wird bei Stroboskoplicht im Alltag schwindlig und schlimmstenfalls übel, und das obwohl ich nicht so leicht seekrank werde. Über Langzeitwirkungen können kaum Aussagen gemacht werden, weil die Leuchtmittel mit massivem Stroboskopeffekt jetzt erst im Markt sind.

Welche Leuchtmittel flimmern – und welche nicht?

Es flimmern die Leuchtmittel, die über keine ausreichende Vorschaltelektronik verfügen. Leider kann man das dem Leuchtmittel nicht ansehen und es gibt keine Angaben in den technischen Daten dazu. Bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Produkten sind die Unterschiede so exorbitant wie noch nie seit der Erfindung künstlicher Leuchtmittel. Meine Messungen ergeben Lichtemissionen die von flimmerfrei bis zu schmalen Nadelimpulsen reichen. Grund dafür sind auch fehlende Normen, die das Lichtflimmern richtig quantifizieren und den Herstellern numerische Grenzwerte vorschreiben. Auch vom Preis oder Hersteller kann man nicht auf die Qualität schließen. Die meisten Produkte kommen aus China und viele Inverkehrbringer sind sich über die Eigenschaften des Lichtflimmerns nicht bewusst. Es fehlt an Aufklärung auf allen Seiten. Außerdem gibt es leider aber auch Hersteller, die zwar die flimmernde Eigenschaft wahrnehmen, aber aus Wettbewerbsgründen trotzdem Flimmerprodukte auf den Markt bringen. Das verunsichert die Kundschaft sehr.

Wie lässt sich Lichtflimmern vermeiden bzw. abstellen?

Eine Portion Ingenieurskunst gehört seitens der Hersteller schon dazu. Gerade um bei den zur Zeit sehr beliebten Filament-Leuchtmitteln die elementare Vorschaltelektronik in die kleinen E14-Sockel zu bekommen, wobei die Dimmbarkeit eine zusätzliche Herausforderung darstellt. Das kostet natürlich zunächst Zeit sowie Geld und dann wird die verfertigte Elektronik auch nicht im unteren Cent-Bereich liegen. Aber es gibt jene, die sich die Mühe gemacht haben und flimmerfreie Produkte im gleichen Preissegment anbieten wie andere, die sich davor scheuen. Ambitionen, in allen Gebäuden ein Gleichspannungsnetz einzuführen, sind zwar theoretisch denkbar, aber im Rahmen des Retrofit-Gedankens halte ich das für nicht umsetzbar, weil eine Umsetzung mindestens 20 Jahre benötigen würde. Der Stromspargedanke ist aber EU-weit vorgeschrieben und die Glühbirne bereits abgekündigt.

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Warum interessiert Sie ein so spezielles Thema und warum beschäftigen Sie sich so intensiv damit?

Mich hat Elektronik, Licht und Ton seit jeher fasziniert. In meiner Jugend entwickelte ich einen 4-Kanal-Phasenanschnittsdimmer ohne Mindestlastanforderung, der anstelle des Lichtschalters seinen Platz fand und meine farbigen Strahler bediente. Mit Anfang 20 war es dann eine komplette Diskothek, deren Lichtsteuerung, Mischpult und Verstärker ich entwickelte, aufbaute und betrieb. So studierte ich später Elektrotechnik und war dann fast 15 Jahre in der Medizintechnik als Pulsspektroskopie-Experte tätig, wo die präzise, mikroprozessorgesteuerte Ansteuerung der mehrfarbigen Sensor-LEDs eine zentrale Rolle spielt. Umweltbewusst rüstete ich 2009 mit der ersten LED-Generation meine komplette Wohnungsbeleuchtung um und wenige Jahre später nochmal, als die Lichtqualität deutlich besser war. Das Lichtflimmern ist mir dabei immer schon ein wichtiger Faktor gewesen. Es liegt wohl auch daran, dass ich zu den eher lichtsensiblen Menschen gehöre, denn schon in der Oberstufe Ende der 1970er Jahre empfand ich das Lichtflimmern der Leuchtstoffröhren in den Fluren der Schule als unangenehm.
Als ich Anfang 2015 mein erstes Filament-Leuchtmittel erstand und ausprobierte, musste ich mir erst einmal die Augen reiben, denn dessen Licht flimmerte stroboskopartig, was sich leicht nachmessen ließ. So fing ich an, die Literatur über dieses Thema zu recherchieren und diese in wochenlanger Arbeit zusammenzufassen sowie kritisch zu bewerteten, um letztlich ein Messverfahren zur Untersuchung von Lichtflimmern zu entwickeln. Einfach zuzusehen wie schlechtes Licht unser Land verflimmert und die Menschen krank macht, das kann ich nicht.

Was ist für Sie gutes Licht?

Sonnenlicht. Das ist die Messlatte hinsichtlich des Farbspektrums und der Gleichförmigkeit. Die Glühlampe als künstliche Lichtquelle kommt diesem am nächsten, jedoch steht außer Frage, dass ihre Effizienz sehr gering ist und damit die Umwelt belastet wird. Deshalb ist es nur richtig, nach stromsparenden Alternativen zu suchen. Allerdings sollte der Anspruch bestehen, die beiden wichtigen Eigenschaften für unser Wohlergehen zu erhalten.

Wie bewerten Sie die aktuellen Entwicklungen in puncto Licht und Beleuchtung?

Zunächst nehme ich einen schnellen Wandel wahr, so wie auf vielen anderen Gebieten auch. Hauptsächlich geht es darum, einen großen Gewinn zu erzielen, statt in erster Linie auf die notwendige Qualität zu achten. Aber ich sehe auch die Bestrebungen, das künstliche Licht dem der Sonne näher zu bringen. Zum Beispiel durch tageszeitlich gesteuerte Farbtemperaturen, die auf jeden Fall in nach außen hin abgeschotteten Räumen wie großen Hallen oder Kaufhäusern ohne Tageslicht für die dort tätigen Menschen sehr sinnvoll sind. Offensichtlich ist dabei aber der Aspekt der „zeitlichen Gleichmäßigkeit des Lichts“ zu weit in den Hintergrund geraten – das Gegenteil von Flimmern wurde schon vor 80 Jahren formuliert. So sollte beim Design von komplexeren Leuchten darauf geachtet werden, dass die vielfach eingesetzte Pulsweitenmodulation zur Steuerung der Intensität der einzelnen Lichtelemente weit oberhalb des Flimmerbereichs liegt. Also bei mindestens 10 kHz.

LED, OLED oder eine ganz andere Technologie? Was glauben Sie, ist das Licht der Zukunft?

Die Forschungen gehen meines Wissens sinnvollerweise in Richtung Nachhaltigkeit, so dass zum Beispiel wichtige Primärrohstoffe wie Seltene Erden ersetzt werden. Dies wohl auch, um unabhängiger von den Ländern zu werden, aus denen wir die Rohstoffe beziehen. Dann wird auch bei guter Qualität die Herstellung von Leuchtmitteln preiswerter. Und unser wertvoller Planet Erde sowie unsere Nachkommen werden ebenfalls geschützt.

Herr Erwin, vielen Dank für das aufschlussreiche Gespräch!

14. Dezember 2015, Christian Buchholz
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