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Flimmern und stroboskopische Effekte bei LED Leuchten

Wie entsteht ein Flimmern / Flackern bei LEDs? Worauf ist beim Kauf einer LED Arbeitsplatzleuchte zu achten? Ist jede LED Leuchte flimmerfrei?

 

Wie entsteht ein Flimmern / Flackern bei LEDs?

LEDs unterscheiden sich wesentlich von ihrer Funktionsweise gegenüber herkömmlicher Leuchtmittel wie z. B. Kompaktleuchtstofflampen. Eine LED ist ein Halbleiter, der nur dann Licht ausstrahlt, wenn Strom in die Durchlassrichtung fließt. Mit zu vernachlässigenden Ausnahmen kann eine LED somit nicht mit der reinen Netzspannung (Wechselstrom) betrieben werden, da die Elektroden nicht mehr zurückfließen können – ein gleichgerichteter Strom ist notwendig. Um die LED Leuchte mit stabilisiertem Gleichstrom / Konstantstrom zu versorgen, werden spezielle LED Betriebsgeräte/ – Konverter eingesetzt. Sie sorgen dafür, dass der Strom nicht mehr in zwei Richtungen fließt, sondern nur noch in eine Richtung.
Anders als bei herkömmlichen Leuchtmitteln stellt sich das Thema Flimmern / Flackern bei LED Leuchten damit unter anderen Gesichtspunkten. Inwieweit ein Flimmern der LEDs in Arbeitsplatzleuchten eliminiert werden kann, hängt wesentlich von der Qualität der in den Arbeitsplatzleuchten eingesetzten LED Konvertern und ferner dem Dimmverfahren ab.

Die Qualität von LED-Konverter und der sog. Ripplestrom

Hochwertige Konverter (LED Treiber) flachen die Wellen der Frequenz durch den Einsatz von Ein- und Ausgangsfiltern so stark ab, dass die Wellenform der Frequenz nicht mehr als Flimmern / Flackern wahrgenommen wird. Zur Beurteilung der Restwelligkeit auf der Gleichstromseite wird die Angabe des sog. Rippelstroms (engl. Ripple) herangezogen. Als Rippelstrom wird ein mit Gleichstrom überlagerter Wechselstrom bezeichnet. Grundsätzlich gilt, je geringer die Restwelligkeit des umgewandelten Wechselstroms, desto weniger „flimmert“ die LED Leuchte. Unter Technischen und vor allem aber auch unter Wirtschaftlichkeitsaspekten ist es jedoch unmöglich, die Restwelligkeit des umgewandelten Wechselstroms in einen völlig geglätteten Gleichstrom umzuwandeln.

Als Faustregel gilt deshalb, dass bei LED Konvertern mit einem Ripple-Wert von max. 10 % die Restwelligkeit so gering ist, dass ein Flimmern mit bloßem Auge kaum sichtbar ist. Unsere RMD Arbeitsplatzleuchten erreichen Ripple Werte bis zu unter 5 % und sind damit „flimmerfrei“.

 

Das Dimmverfahren der LED Leuchte

Als zweites Kriterium bei der Beurteilung der Qualität kommt bei dimmbaren Konvertern das eingesetzte Dimmverfahren hinzu. Um eine Arbeitsplatzleuchte zu dimmen, muss der Betriebsstrom verringert werden. Hier gibt es zwei Möglichkeiten:

 

Dimmung über Pulsweitenmodulation (kurz PWM):

Bei dieser Methode werden die LEDs periodisch ein-/ und ausgeschalten. Dem menschlichen Auge wird dadurch eine reduzierte Helligkeit vorgegaukelt, da es zu Träge ist, dieses Flimmern zu erkennen. Vom Anwender wahrgenommen wird demnach die mittlere Helligkeit, also das Verhältnis zwischen hell (eingeschaltete LEDs) und dunkel (ausgeschaltete LEDs). Je niedriger gedimmt wird, desto länger ist die „Dunkelphase“ der LEDs, also die Zeit, in der die LEDs ausgeschalten sind.

Dimmen über PWM

Abbildung 1: Dimmung einer LED Leuchte mittels Pulsweitenmodulation, kurz PWM

Technisch einfach umzusetzen, birgt das Dimmverfahren über PWM jedoch einige Gefahren. Entscheidend ist vor allem die Schaltfrequenz der LEDs. Da der Lichtstrom der LEDs immer wieder abrupt unterbrochen wird, flimmert die Leuchte ohne Dämpfung mit der eingesetzten PWM-Frequenz. Um sicherzustellen, dass dieses Flimmern vom menschlichen Auge tatsächlich nicht wahrgenommen wird, sind sehr hohe Frequenzen notwendig. Besonders in Billigleuchten oder älteren Modellen treten immer wieder Probleme aufgrund zu geringer PWM-Frequenzen auf, die oftmals viel zu spät wahrgenommen werden. Die Folgen sind negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus – die Konzentration sinkt rapide und gesundheitliche Beschwerden wie Kopfschmerzen treten auf. Besonders gefährlich wird es bei bewegten Objekten. Hier können bei niederfrequenten Leuchten starke Stroboskop-Effekte entstehen, die gefährliche Situationen herbeiführen.

Neben der digitalen Dimmung über PWM gibt es weiterhin die Möglichkeit, die LED Leuchte analog zu dimmen. Bei dieser Methode spricht man vom sog. Amplitutendimmen.

 

Analoges Dimmen (Amplitudendimmen):

Beim analogen Dimmen bleibt der Lichtstrom kontinuierlich erhalten. Die Dimmung erfolgt in diesem Falle über das Absinken der Amplitude, solange bis die gewünschte Helligkeit erreicht wird.

Amplitudendimmen

Abbildung 2: Analoges Dimmen einer LED Arbeitsplatzleuchte (Amplitudendimmen)

 

Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode besteht darin, dass ein Flimmern aufgrund des eingesetzten Dimmverfahrens und ein damit verbundener Stroboskop-Effekt nahezu ausgeschlossen werden kann. An seine Grenzen kommt dieses Verfahrens bei sehr kleinen Dimmstellungen. Hier kann die Einstellung der Helligkeit nicht so präzise erfolgen wie bei der PWM. Mögliche Folgen können geringe Farbortverschiebungen oder eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung sein. Diese Einschränkungen beschränken sich jedoch auf sehr geringe Dimmwerte, welche in der Praxis in den seltensten Fällen angewandt werden.

 

Um unseren Kunden ein störfreies und vor allem sicheres Arbeiten zu ermöglichen, vertrauen wir deshalb in unseren RMD Arbeitsplatzleuchten auf hochwertige und modernste LED Konverter der Marken OSRAM und Tridonic. Als Dimmverfahren werden hochfrequente PWM-Dimmer-Schaltungen und analoges Amplitutendimmen eingesetzt, wobei Letzteres überwiegend unserer LED Arbeitsplatzleuchten Anwendung findet.

Unseren Uhrmacherkunden konnten wir so beispielsweise dabei helfen, Unruhen sauber zu sehen, welche Sie zuvor aufgrund von niederfrequenten Leuchten, die über PWM gedimmt wurden, nur schwer erkennen konnten.

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