Flimmer, Flacker und Flicker

bei LED-Beleuchtung

FAQ – Lichtflimmern/ Flackern / Blinken/ Blitzen

FAQ – Lichtflimmern/ Flackern / Blinken/ Blitzen

Was versteht man unter Lichtflimmern (engl. photometric flicker)?

Das Flimmern ist die schnelle Änderung (meist Luminanz) einer Leuchtquelle. Drei Effekte, die sich auch überlagern können, sind dabei zu unterscheiden:

a. Leuchtdichte-Flimmern, das durch wechselnde Helligkeitsgrade entsteht
b. Chromatisches Flimmern, das durch wechselnde, bzw. schwankende Lichtfarben verursacht wird
c. Stroboskop-Effekt ("Disco-Licht"), der durch sequenzielle Lichtblitze entsteht

Warum ist das chromatische Flimmern bei LED-Lampen und Leuchten zu vernachlässigen?
LED-Lampen und Leuchten sind LED-Halbleiter (monochromatische Lichtquellen), d. h. sie senden Licht nur in eingeschränkten Wellenlängenbereichen aus, die primär durch die Beschichtungen der Halbleiter bestimmt werden.

Wie können bei LED-Lampen und Leuchten das Leuchtdichte-Flimmern und der Stroboskop-Effekt entstehen?
Die lichtemittierenden Dioden (LED) werden in der Regel von einem elektronischen Treiber angesteuert, der meist als Konstantgleichstromquelle ausgelegt ist. Aus Kostengründen werden oft einfache Schaltungen eingesetzt und parallel zum Gleichstrom ist am Treiberausgang auch ein Wechselstromanteil vorhanden. Der Wechselstromanteil wird über die LED in Licht umgewandelt und überlagert das „saubere“ Licht. Ursachen von Flimmern können zudem Kompatibilitätsprobleme mit Dimm- und Steuerschaltkreisen sein.

Warum ist das Lichtflimmern bei LED-Lampen und Leuchten problematisch?
Lichtflimmern setzt den menschlichen und tierischen Körper unter Stress. Es findet ein Anpassungsprozess statt, der das Gehirn und die Muskeln belastet. Oft wird dabei das Lichtflimmern gar nicht aktiv vom Betrachter wahrgenommen. Beim Menschen können Symptome wie Kopfschmerzen, Müdigkeit, Erschöpfung, Migräne, autistisches Verhalten, Konzentrationsprobleme und schlimmstenfalls sogar epileptische Anfälle auftreten. Dies kann in der Praxis sogar zu einer reduzierten Arbeitsleistung führen. In der Tierhaltung können die Auswirkungen durch Lichtflimmern deutlich extremer ausfallen. Hühner reagieren zum Beispiel viel empfindlicher als der Mensch auf einen erhöhten Flimmeranteil im Licht. Die ursächliche Wirkung auf eine verringerte Legeleistung und/oder ein geringeres Wachstum konnte wissenschaftlich nachgewiesen werden.

Welche Auswirkungen auf den Organismus hat das Lichtflimmern von Lichtquellen?
Das Sonnenlicht als natürliche Lichtquelle bietet ein flimmerfreies Licht. Im Laufe der Evolution mussten Lebewesen somit keine Maßnahmen zur Kompensation von Flimmern im Licht entwickeln. Das Lichtflimmern von künstlichen Lichtquellen belastet das Nervensystem von Lebewesen. Es wird teilweise bewusst, meistens aber unbewusst wahrgenommen und hat zahlreiche negative Auswirkungen, die sich aber bei jedem Lebewesen unterschiedlich auswirken können. Das Lichtflimmern kann folgende Organe, bzw. Abläufe in Körpern beeinflussen: z.B. Augen, Gehirn, Hormone, neurologische Abläufe, Koordination, Stoffwechsel, Glukoseverbrauch, kapillaren Blutfluss, Schlafstörungen, Migräne/ Kopfschmerzen, Epilepsie-Anfälle, Unwohlsein. Die Zeitschrift „ÖKO-TEST“ hat in einer Ausgabe das „unruhige Licht“ als „Disco fürs Hirn“ beschrieben und sich kritisch mit den Auswirkungen auseinander gesetzt.

Was ist der Unterschied zwischen dem „Flimmern“, „Flackern“, „Flicker“ , „Blinken“ und „Blitzen“ von Lichtquellen?
Flackern: Unregelmäßige Leuchterscheinung, die sich örtlich und/oder zeitlich ändert. Das Flackern von Lampen kann seine Ursache entweder in einer unsteten Lichterzeugung (z. B. Flammen) oder einer unsteten Energiezufuhr haben. Ein ausgeprägtes Flackern zeigen alle Verbrennungslampen (Kerzen, Gaslampen), bei denen sich sowohl Flammengröße und Lichtstrom als auch Form und Lage der Flamme sporadisch ändern können. Flackern tritt aber auch bei Entladungslampen in Form des Einschaltflackerns und des Elektrodenflackerns auf. Im Unterschied zum Lichtflimmern ist das Flackern kein periodischer Vorgang. (Quelle: www.techniklexikon.net/d/flackern/flackern.htm)

Flicker: Der Begriff Flicker bzw. Flickermessung bezieht sich auf die potenzielle Auswirkung auf die Lichtemission eines Leuchtmittels (Glühbirne), wenn dieses an einem Netz betrieben wird, welches durch Flicker verursachte unregelmäßige (aperiodische) Netzspannungsänderungen (Netzstörungen) hat. Das Messverfahren eines Flickermeters nach dem Funktionsdiagram der IEC-61000-4-15 bemisst das mit Flicker verunreinigte Stromversorgungsnetz. Dazu wird nach der Demodulation der Netzspannung eine Auge-Gehirn-Reaktions-Simulation eingesetzt, die zur Filterung und frequenzabhängiger Bewertung einen Bandpass (-3dB:0,05 Hz > Peak:8,8Hz > -3dB:35Hz) benutzt. Quelle: Wikipedia

Flimmern oder Lichtflimmern: Im Gegensatz dazu beschreibt der relativ neue Begriff "Lichtflimmern" den periodischen Wechselanteil des real emittierten Lichts eines störungsfrei elektrisch betriebenen Leuchtmittels, der durch den Wechselanteil in der systembedingten elektrischen Versorgung (Netzfrequenz, Vorschaltelektronik) des Leuchtmittels verursacht wird. Dieser liegt größenordnungsmäßig über 35 Hz bis in den 100-kHz-Breich. Diese Eigenschaft ist also dem Leuchtmittel zuzuschreiben und nicht dem Versorgungsnetz. Entsprechend wird das Lichtflimmern immer optisch vermessen, wobei das zu vermessende Leuchtmittel an einem störungsfreien (flickerfreien) Wechselspannungsnetz (Haushaltsversorgungsnetz) betrieben wird.

Blinken: Blinkendes Licht ist ein niederfrequentes (Größenordnung 10 Hz) periodisches Licht mit einem Tastverhältnis von mehr als ca. 25%. Es wird für einen bestimmten Zweck (meist als Signal) zielgerichtet und künstlich erzeugt (z.B. KFZ-Blinker).

Blitzen: Blitzlicht ist ein niederfrequentes (Größenordnung 10 Hz) periodisches oder aperiodisches Licht mit einem Tastverhältnis von deutlich weniger als 10%. Es kommt in der Natur vor (Gewitter) oder wird künstlich erzeugt (z. B. Blitzlicht für Fotografie, Stroboskoplicht für Diskothek).

Hinweis: Das französische "scintillement" fasst sogar alle 4 Begriffe in einem Wort zusammen.


Gibt es gesetzliche Vorgaben bezüglich des Flimmerns von LED-Lampen und Leuchten?
Den Handel mit LED-Lampen und Leuchten regulieren zahlreiche Gesetze und Verordnungen. Von der Verpackungs- und Produktauszeichnung bis zur Einhaltung des angegebenen Lichtstromes, der Lichtfarbe, der Farbkonsistenz und des Stromverbrauchs sind zahlreiche Kriterien reguliert. Leider findet das Flimmern von LED-Lampen und Leuchten in keiner Norm oder gesetzlichen Bestimmung eine verbindliche Vorgabe.

Was wird bezüglich des Lichtflimmerns in den technischen Regeln für Arbeitsstätten (ASR) in der ASR A3.4 für Beleuchtung vorgegeben?
In der ASR A4.4 für Beleuchtung findet sich auf Seite 9 folgende Vorgabe:
„5.5 Flimmern oder Pulsation
Flimmern oder Pulsation dürfen nicht zu Unfallgefahren (z. B. durch stroboskopischen Effekt) oder Ermüdungen führen. Dies kann z. B. durch den Einsatz von elektronischen Vorschaltgeräten oder durch Drei-Phasen-Schaltung verhindert werden.“
Link: http://www.baua.de/de/Themen-von-A-Z/Arbeitsstaetten/ASR/ASR-A3-4.html;jsessionid=B5C7C23D6143B827A38B78394C1E55DB.1_cid343


Warum ist eine flimmerfreie Beleuchtung bei Tätigkeiten am Arbeitsplatz mit beweglichen Teilen besonders wichtig?
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.

Gibt es Kennzeichnungsvorschriften von LED-Produktverpackungen bezüglich des Flimmerns?
Es ist normativ kein Maß für das Lichtflimmern von LED-Lampen und Leuchten zur Kennzeichnung vorgeschrieben. Es ist unmöglich im ausgeschalteten Zustand eine Produktauswahl zu treffen. Für eine fundierte Produktunterscheidung ist spezielle Messtechnik notwendig. Eine ausschließlich visuelle Produktauswahl ist nicht zielführend.

Gibt es spezielle Lichtmesstechnik und Messverfahren zum Überprüfen des Flimmeranteils von LED-Lampen und Leuchten?
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. Die Flimmerfusionsfrequenz oder Flimmerverschmelzungsfrequenz ist die Frequenz, bei der eine Folge von Lichtblitzen als ein kontinuierliches Licht wahrgenommen wird. Sie gilt für den Ruhezustand des sehenden Wesens gegenüber der Lichtquelle und hängt von weiteren Faktoren ab, wie Amplitude der Lichtmodulation, der mittleren Lichtintensität, Wellenlänge, der Position auf der Netzhaut, an der die Stimulation stattfindet sowie dem Grad der Hell-Dunkel-Adaptation.


Ab wieviel Herz ist das Flimmern von LED-Lampen und Leuchten für den Menschen sichtbar?
Flimmern wird von Menschen bei Frequenzen unter 100 Hz bemerkt und ist ab ca. 200 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 sollte.

Welcher maximale Flimmeranteil im Licht von LED-Lampen und Leuchten wird von Fachleuten empfohlen?
Nach ASSIST (Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies) ist ein Flimmeranteil > 20 Prozent bei 100 Hz sowie ein Flimmeranteil > 30 Prozent bei 120 Hz nicht mehr akzeptabel.  

Wie lassen sich die unterschiedlichen Flimmeranteile von LED-Lampen und Leuchten klassifizieren?
Der Kompaktflimmergrad (engl. Compact Flicker Degree) CFD erlaubt eine Klassifizierung nach folgendem Schema:
Gut: 0 bis 12% - Der Flimmeranteil ist nicht oder extrem schwer wahrnehmbar
Akzeptabel: 13 bis 24% - Der Flimmeranteil ist möglicherweise wahrnehmbar, aber akzeptabel
Mittel: 25 bis 49% - Der Flimmeranteil ist wahrnehmbar und das menschliche Wohlbefinden kann beeinträchtigt werden. Für den Arbeitsplatz ist dieses Licht bedingt geeignet.
Schlecht: 50 bis 75% - Ein Flimmeranteil von über 50% ist vom Nutzer wahrnehmbar und eine Beeinträchtigung des menschlichen Wohlbefindens findet bei der Mehrzahl der Menschen statt. Für den Arbeitsplatz ist dieses Licht nicht geeignet.
Extrem: Über 75% - Der hohe Flimmeranteil wirkt belastend auf die Gesundheit von Menschen und kann Kopfschmerzen/Migräne, Unwohlsein/Übelkeit und sogar epileptische Anfälle auslösen.
Für ein 100-Hz-Sinus darf man näherungsweise annehmen: CFD ≈ Modulationstiefe  / 2.
Quelle: https://www.derlichtpeter.de/de

Welche Lichtquelle bietet dem menschlichen und tierischen Körper das beste Licht?
Das Sonnenlicht ist flimmerfrei und die Referenz hinsichtlich des Farbspektrums und der Gleichförmigkeit.

Wie können Hersteller von LED-Lampen und Leuchten das Flimmern minimieren?
Hochwertige elektronische LED-Treiber generieren einen nahezu „sauberen“ Gleichstrom zum Ansteuern von den Halbleitern. Um das Flimmern zu minimieren, sollte auch 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 des Platzmangels nicht möglich, die Kapazität aufzustocken.

Welche Flimmerparameter sollten bei einer Lichtmessung Berücksichtigung finden?
Wichtige Parameter des Lichtflimmerns sind die Modulationstiefe und die Frequenz. In der Praxis sind oft Überlagerungen von unterschiedlichen Frequenzen zu finden.

Wird durch das Dimmen von LED-Lampen und Leuchten der Flimmeranteil verändert?
Ja, durch den Einsatz von Dimmern vergrößert sich der Flimmeranteil oftmals deutlich. Bei der Lichtstromsteuerung durch Pulsweitenmodulation (PWM) wechselt die Spannung zwischen zwei Werten. Dabei wird bei konstanter Frequenz der Tastgrad eines Rechteckpulses moduliert. Schon beim leichten Dimmen wird somit ein hoher Flimmeranteil erzeugt. Bei vielen LED-Monitoren/ Displays wird die Einstellung der Helligkeit über eine einfache PWM-Dimmung generiert. Das führt schon bei einer leichten Reduktion der Luminanz zu ungünstigen Flickerwerten. Idealerweise sollte somit bei Arbeitsbildschirmen immer die Helligkeit auf den Maximalwert eingestellt werden. Optimal wäre aber eine Amplitudendimmung mit einer „sauberen“ Gleichspannung.  Dann bleibt der sehr geringe Flimmeranteil auch bei verändertem Lichtstrom konstant. In der Praxis werden leider durch den Einsatz von kostengünstigen Dimmern (z.B. PWM) hohe Flimmeranteile erzeugt.

Sollten die Anforderungen bezüglich des Flimmeranteils von LED-Lampen und Leuchten abhängig vom Einsatzgebiet sein?
Ja, LED-Lampen und Leuchten mit einem geringen Flimmeranteil sollten unbedingt in folgenden Bereichen eingesetzt werden:
-    Aufenthaltsorte von Kindern (z.B. Schulen, Kindergärten)
-    Arbeitsplätze (z.B. Büros, aber auch sehr wichtig bei der Beleuchtung von Maschinen)
-    Genereller Beleuchtung (z.B. Wohnzimmer, Krankenhäuser , Altersheime, Kaufhäuser/ Shops)
In den folgenden Bereichen sind die Anforderungen an eine flimmerfreie Beleuchtung geringer oder nicht gegeben:
-    Straßenbeleuchtung/ Parkplatzbeleuchtung
-    Notbeleuchtung
-    Akzentuierter Beleuchtung

Welche Vorschriften bezüglich des Lichtflimmerns sind in der Tierschutz-Nutztierhaltungsverordnung (TierSchNutztV) vorgegeben?
Unter Punkt 9 der TierSchNutztV gibt es eine kurze, aber wenig verbindliche Vorgabe bezüglich des Lichtflimmerns bei der Nutztierhaltung:
„9. die tägliche Beleuchtungsintensität und Beleuchtungsdauer bei Tieren, die in Ställen untergebracht sind, für die Deckung der ihrer Art entsprechenden Bedürfnisse ausreichen und bei hierfür unzureichendem natürlichen Lichteinfall der Stall entsprechend künstlich beleuchtet wird, wobei bei Geflügel das künstliche Licht flackerfrei entsprechend dem tierartspezifischen Wahrnehmungsvermögen sein muss;“
Link: http://www.gesetze-im-internet.de/tierschnutztv/