Fallstricke bei der Flicker-Messung bei LED-Leuchten vermeiden

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Das Abtasttheorem und eine Flickerbewertung

Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem [1] beschreibt die Grenzen der Umsetzung von Signalen. Dazu gehört auch die Datenübertragung. Die dort getroffenen Aussagen lassen sich direkt auf die erfassten Messwerte anwenden. Eine wesentliche Aussage des Abtasttheorems ist, dass mit mindestens 2 mal f_max abgetastet werden muss, um ein Signal rekonstruieren zu können. Also die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die Frequenz des abgetasteten Signals.

Nach dem Abtasttheorem muss mindestens mit der doppelten Frequenz des zu messenden Signals abgetastet werden. Das reicht aber für eine gute Flickerbewertung noch lange nicht aus, da damit die Länge der Impulse nicht erfasst werden kann, sondern nur die Frequenz. Bei der Bewertung von Flimmern ist aber die Messung der Länge der Hell- und Dunkelphasen wichtig, da kurze Dunkelphasen deutlich weniger wahrgenommen werden. Also muss mit einer so hohen Abtastrate gemessen werden, dass die Länge der Hell-/Dunkelphasen mit aussagekräftiger Auflösung bestimmt werden kann.

Wie schnell muss gemessen werden? Die notwendige Abtastrate hängt einmal davon ab, in welchem Frequenzbereich das PWM-Signal der Lichtquelle ist, aber auch davon wie weit der Dimmbereich geht. Je näher an 0 oder 100 Prozent heran gedimmt werden kann, desto extremer wird das Verhältnis zwischen Hell- und Dunkelphase. Damit wächst dann wieder das Problem der Abtastfehler. Das PWM-Signal hat neben seiner Basisfrequenz eine zweite Frequenzkomponente, die vom Dimmverhältnis abhängig ist. Beispielsweise definiert der DALI-Bus eine Dimmung bis hinunter zu 0,1 Prozent, also 1/1000. Die zusätzliche Frequenz liegt dann also beim 1000-fachen der PWM-Frequenz, weil die LED dann nur 1/1000 von einer Phase der PWM-Frequenz an ist. Bei einer moderaten PWM-Frequenz von 500 Hz wären das dann schon 500 kHz, für die nach dem Abtasttheorem mindestens notwendige Abtastfrequenz von 1 MHz notwendig sind, um sie aussagekräftig zu erfassen.

Wenn es auf die Wahl des Messgerätes ankommt

Viele PWM-Dimmer liegen mit ihrer Frequenz deutlich höher als 500 Hz, so dass für so eine Messung Abtastraten von mehreren Megahertz notwendig wären. Real sollte man eher davon absehen, in solchen Bereichen zu messen, die geringe resultierende Helligkeit wird ohnehin in der Praxis kaum zum Einsatz kommen und die störenden Effekte werden wahrscheinlich wenig wahrgenommen. Wie eingangs schon gesagt, muss man wissen, was man messen möchte und wie weit das verwendete Messgerät dazu geeignet ist. Andernfalls bekommt man Messwerte, die keine qualifizierte Aussage erlauben und sogar bessere Lichtquellen schlechter bewerten können.

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass einfache Messgeräte mit Abtastraten von nur wenigen Kilohertz weitgehend ungeeignet sind, um mit PWM-gedimmtes Licht zu messen. Schon um 10 Prozent gedimmtes Licht würde bei einer PWM-Frquenz von 500 Hz 500 Hz x 10 x 2 = 10 kHz Abtastrate benötigen, um ein halbwegs brauchbares Messergebnis zu liefern. Bei den marktüblichen, höheren Frequenzen versagen solche Messgeräte schnell, wenn man sich von einer Dimmung größer 50 Prozent entfernt.

Mit einfachen Messgeräten sollten vorzugsweise Lichtquellen gemessen werden, die nicht mit PWM gedimmt sind. Da es zunehmend auch LED-Lichtquellen gibt, die durch ihren treiberlosen Aufbau mit der durch das Stromnetz vorgegebenen Frequenz von 100 Hz (das Doppelte der Netzfrequenz, da beide Halbwellen genutzt werden) pulsieren, haben einfachere Messgeräte ihre Daseinsberechtigung. Bevor ein Messgerät an eine Lichtquelle gehalten und dem angezeigten Messwert blind vertraut wird, sollte die Frage nach der Technik der Lichtquelle gestellt werden und ob das Messgerät der Anforderung gewachsen ist. Im schlimmsten Fall passiert es, dass die LED-Leuchte mit dem billigen PWM-Dimmer von 150 Hz besser erscheint als die mit 2000 Hz, weil das Messgerät ein scheinbares Signal erfasst hat, das es quasi selber erzeugt hat.

Mögliche Messfehler unbedingt ausschließen

Neben dem Messgerät entscheidet die Messumgebung. Um eine Lichtquelle beurteilen zu können, muss sicher gestellt werden, dass nur das Licht von dieser Lichtquelle gemessen wird und nicht Licht aus anderen Quellen stört. Die gegenseitige Beeinflussung mehrerer Lichtquellen zu messen ist ein wichtiger Faktor für die Beurteilung der Lichtqualität. Typische Fehlergebnisse, wenn Messgerät und Signal nicht zusammen passen, sind gemessene Frequenzen, die sehr weit von dem abweichen, was tatsächlich vorhanden sein sollte.

Werden bei einem mit 500 Hz arbeitenden Dimmer 70 Hz angezeigt, dann ist das Ergebnis anzuzweifeln. Sehr wahrscheinlich gab es einen Abtastfehler durch Frequenzen, die für das Messgerät zu hoch sind. Zeigt das Messgerät sehr niedrige Flimmerfrequenzen von <100 Hz bei hoher Modulation an, dann hilft eine subjektive Kontrolle. Fehlen übliche Effekte wie Stroboskop-Effekt oder String-of-Pearls (scheinbare Punktlinie bei schnellen Augenbewegungen), dann ist eine Gegenkontrolle mit einem Messgerät anderer Bauart angebracht.

Selbst hochwertige Messgeräte sind überfordert, wenn eine Spread-Spectrum-PWM zum Einsatz kommt. Dies aus der Kommunikationstechnik übernommene Methode verteilt das PWM-Signal nach einem Pseudozufallsprinzip über einen weiten Frequenzbereich. Das Ergebnis ist ein verrauschtes Signal. Erfassen lassen sich solche Signale mit Messgeräten für sehr hohe Bandbreiten. Der Versuch die Dimmung mit einem üblichen Flicker-Messgerät zu messen ergibt kein verwertbares Ergebnis.

Praxistipp: Teure Messgeräte messen nicht fehlerfrei

Auf der lighting technology 2017 hatten wir die Gelegenheit, ein hochwertiges Flickermeter mit dem LED-Treiberbaustein LED-Warrior04 weit über seine Grenzen zu treiben. Das Modul verwendet die Spread-Spectrum-PWM-Technik. Dabei wird das PWM-Signal nach einem Pseudo-Zufallsprinzip über einen Frequenzbereich von 183 bis 187.500 Hz verteilt. Das Messgerät tastete mit 60 kHz ab und hatte in den extremen Dimmlagen nahe 0 Prozent und nahe 100 Prozent eine Chance. Hier reduziert sich der Frequenzbereich, da das hohe Verhältnis zwischen Dunkel- und Hellphase nichts anderes zulässt. Bei den praxisrelevanten mittleren Dimmbereichen zeigte das Messgerät wilde Muster an, wie sie durch Abtastfehler entstehen. Vermeintlich erkannt wurden auch Frequenzen um 10 Hz, die einen deutlich sichtbaren Stroboskopeffekt hätten zeigen müssen.

Referenzen

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem

* Guido Körber ist Geschäftsführer bei Code Mercenaries Hard- und Software GmbH Schönefeld bei Berlin.

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