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Fast alle mit Wechselstrom betriebenen Lichtquellen weisen eine periodische Modulation in Form von Flimmern auf.
Ein Test mehrerer Leuchten mit Festkörperlichtquellen zeigt, wie stark verschiedene Typen der Leuchten flimmern und welche Maßnahmen von Leuchtendesignern ergriffen werden können, um das Phänomen zu vermeiden. Die Illuminating Engineering Society (IES) beschreibt im Standard RP-16-10 eine Methode, mit der sich die Auswirkungen flimmernder Lichtquellen quantifizieren lassen. Danach ist der Flimmeranteil ein relatives Maß für die zyklische Amplitudenveränderung der Lichtquelle, während der Flimmerindex die zyklische Veränderung unter Berücksichtigung der Form des Wellenverlaufs misst. In der folgenden Tabelle sind Flimmerindex und Flimmeranteil gängiger Beleuchtungstechniken aufgeführt.
Der Frequenzbereich ohne Flimmern wird Flimmerfusionsfrequenz oder Flimmerverschmelzungsfrequenz bezeichnet. Er hängt von folgenden Faktoren ab: Frequenz der Lichtmodulation, Amplitude der Lichtmodulation, der mittleren Lichtintensität, Wellenlänge, der Position auf der Netzhaut, an der die Stimulation stattfindet sowie dem Grad der Hell-Dunkel-Adaptation.
Flimmern wird bei Frequenzen unter 100 Hz bemerkt und ist ab 500 Hz unsichtbar. Allerdings gibt es keine einheitlichen Grenzwerte. Die Energy-Star-Vorgabe, die am 30. September 2014 in Kraft getreten ist, legt beispielsweise fest, dass der maximale Flimmeranteil und Flimmerindex angegeben werden müssen. Die Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST) wiederum betrachtet bei 100 Hz einen Flimmeranteil von mehr als 20% als nicht mehr akzeptabel, bei 120 Hz von über 30%.
Mit dem Servicepaket für Thermische, Elektrische, Mechanische, Photometrische und Optische Tests (TEMPO) von Cree Services wurden mehrere Hundert Festkörper-Leuchten (SSL) getestet. Im Mittelpunkt stand dabei die Welligkeitsfrequenz. Sie tritt am Ausgang der LED-Treiber auf und ist mit 120 Hz doppelt so hoch wie die Eingangsfrequenz von 60 Hz. Die folgende Tabelle zeigt die Treiber-Ausgangsfrequenz für die von Cree getesteten LED-Beleuchtungssysteme.
Der Lichtstrom einer LED korreliert mit der Ausgangs-Wellenform des Treibers. Flimmern tritt auch bei der Pulsweitenmodulation (PWM) auf, die oft zum Dimmen von LEDs eingesetzt wird. Rund zwei Drittel der Produkte erzeugten beim Test Ausgangsstrom-Wellenformen mit 100 oder 120 Hz. Ein Viertel hatte Treiber, die unabhängig von der Eingangsspannung einen weichen, gefilterten Gleichstrom produzierten. Weniger als 8% wiesen Ausgangsfrequenzen zwischen 120 Hz und 10 kHz auf. Und bei rund 70% der mit 100 Hz und 120 Hz betriebenen Produkte war der Flimmeranteil akzeptabel.
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Um das Flimmern zu minimieren, sollte bei der Entwicklung eines Treibers die elektrische Kapazität am Treiberausgang erhöht werden. Dadurch wird die Welligkeitsstromkomponente herausgefiltert. Das geht jedoch zu Lasten der Systemzuverlässigkeit, vor allem dann, wenn minderwertige Kondensatoren verwendet werden. Bei vielen Anwendungen, etwa Retrofit-Lampen, ist es zudem wegen Platzmangels nicht möglich, die Kapazität aufzustocken.
In der dritten Tabelle ist die Schwankungsbreite des Flimmeranteils bei den von Cree getesteten LED-Beleuchtungssystemen und -Lampen aufgeführt.
Greift ein Entwickler zu einem Standard-Treiber, sollte er einen auswählen, der den Welligkeitsstrom am Treiberausgang minimiert. Nötigenfalls muss der Designer Daten zum Welligkeitsgrad beim Treiberhersteller einholen. Ursachen von Flimmern können zudem Kompatibilitätsprobleme mit Dimm- und Steuerschaltkreisen sein. Daher ist es wichtig, die Kompatibilität dieser Komponenten zu überprüfen. Ein unregelmäßiges Flimmern ist außerdem möglicherweise auf lose Kabel- und Steckverbindungen zurückzuführen. Eine weitere potenzielle Fehlerquelle ist die Stromversorgung. Sie kann Stromschwankungen hervorrufen.
* Paul Scheidt ist bei Cree für das Produktmarketing der LED-Komponenten verantwortlich.
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