Flimmern beim Dimmen von LEDs Unterschätzte Lichtwelligkeit

LEDs sind effiziente Leuchtmittel, die aber anfällig für Flimmer-Effekte sind.

Das Flimmern und Flackern von LEDs ist für den Anwender störend und könnte durch das Analog-Dimm-Verfahren vermieden werden. ­­In der Lichtbranche wird ­dieses Prinzip aber eher selten verwendet. Offenbar wird der Licht­welligkeit kein großes Gewicht beigemessen – allerdings zu unrecht.

Wenn es um LED-Beleuchtung geht, dann gibt es zahlreiche Parameter, die für den Anwender relevant sind. Dazu zählen der Verlauf des ausgesendeten Spektrums, die Farbwiedergabe (CRI), die Farbtemperatur (CCT), die Lichtausbeute in Lumen/Watt und die Strahlungsausbeute (Verhältnis der insgesamt abgegebenen LED-Strahlungsleistung zur elektrischen Leistung der LED). Auch die Lichtwelligkeit von LED-Leuchten ist für Anwender eine wichtige Kenngröße, insbesondere dann, wenn die LED gedimmt werden soll. Das Maß der Dinge ist hier das Tageslicht. Dabei handelt es sich um ein Gleichlicht (DC-Licht) mit langsam veränderlichem Helligkeitsniveau und variabler Lichtfarbe (Spektrum).

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Unterschätzte Lichtwelligkeit

Das Flimmern und Flackern von LEDs könnte durch das Analog-Dimm-Verfahren vermieden werden.

Definition der Lichtwelligkeit

Die Lichtwelligkeit dient zur Beschreibung der zeitlichen periodischen Schwankung des Lichtstroms von Lichtquellen. Es werden teilweise stark flimmernde LED-Leuchtmittel im Markt angeboten. Die LED-Retrofitlampen und die relativ neuen LED-Filament-Lampen als Glühlampennachbildung weisen beispielsweise unterschiedliche Qualitätsstufen auf, die von flimmerfrei bis extrem flimmernd reichen können – ähnlich einer Stroboskop-Lampe.
Wie gut eine LED hinsichtlich des Flimmergrads abschneidet, hängt vor allem von der Vorschalt-Elektronik (LED-Treiber bzw. LED-Konverter) ab. Besonders günstige Produkte zeigen nicht selten ein signifikantes Flimmern.
Leider machen die Hersteller von LED-Treibern in der Regel in den Datenblättern keine Angaben über die zeitlichen Änderungen des LED-Lichts, obwohl dieser zeitliche Verlauf in Abhängigkeit vom Dimmgrad relativ einfach mit einem Luxmeter mit Analogausgang und einem digitalen Speicheroszilloskop (DSO) gemessen werden kann. Eine signifikante Bedeutung wird der Lichtwelligkeit noch nicht zugemessen, obwohl diese für die Praxis durchaus bedeutend ist, wie im Folgenden erläutert wird.

Die gebräuchlichste Maßzahl zur Beschreibung der Lichtwelligkeit ist das Verhältnis W der Differenz der maximalen (Φmax) und minimalen (Φmin) Lichtstromamplitude zur maximalen Amplitude. Es gibt gleichförmiges Licht ohne Intensitätswechsel, auch DC-Licht genannt, und eine Mischung aus gleichförmigem Licht mit in der Intensität wechselndem Licht, (DC+AC)-Licht.

W space equals fraction numerator space left parenthesis capital phi subscript m a x end subscript space minus space capital phi subscript m i n end subscript right parenthesis over denominator capital phi subscript m a x end subscript end fraction

Mit 50 Hz Wechselstrom betriebene Glühlampen sowie Hoch- und Niederdruckentladungslampen mit konventionellen Vorschaltgeräten weisen eine Lichtwelligkeit mit einer Grundfrequenz von 100 Hz auf. Bei 60 Hz, beispielsweise in den USA, ist die Grundfrequenz entsprechend 120 Hz. Die Stärke der zeitlichen Variation des Lichtstroms ist von den entsprechenden Lampentypen abhängig. Für Glühlampen gilt in der Regel W = 20 bis 30 %, für Leuchtstofflampen W = 30 bis 80 % und für Hochdrucklampen W = 60 bis 90 %. Der Modulationsgrad reicht also etwa von 25 % bis 100 %.

Bei den LEDs ist die Situation etwas anders, da sie meist mit dem Pulsweitenmodulations-Verfahren angesteuert werden, bei dem der LED-Strom in schneller Folge zwischen null und Maximalwert moduliert wird. Da der Lichtstrom einer LED dem angelegten LED-Strom fast verzögerungsfrei folgt, springt auch der Lichtstrom zwischen Maximalwert und null – und entsprechend der Definition der Lichtwelligkeit ergäbe sich immer W = 1. Eine aussagekräftigere Quantifizierung der Lichtwelligkeit lässt sich mit einer abgewandelten Definition vornehmen (Formel 2), bei der nicht mehr der Maximalwert des Lichtstroms, sondern dessen zeitliches Mittel im Nenner auftaucht. Entsprechend ergeben sich für LEDs auch andere Werte. Es gilt hier 1 ≤ WLED < ∞.