Grundlagenwissen Beleuchtungstechnik So lässt sich die Lichtqualität bei LEDs erkennen

Autor / Redakteur: Claudius Noack * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Flimmerndes Licht ist nicht nur unangenehm, es führt auch zu Kopfschmerzen oder zu epileptischen Schüben. Im Beitrag zeigen wir technische Lösungen gegen das Flimmern und was Lichtqualität ist.

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Vergleich der Farbtoleranz: Die Leuchten aus A mit einem errechneten CCT von 4000 K, die aber deutliche Abweichungen beim tatsächlichen Farbton zeigen. Bei den Leuchten aus B beträgt der errechnete CCT 4000 K und der SDCM-Wert <1. Hier liegt der Zielfarbort auf der Black Body Curve.
Vergleich der Farbtoleranz: Die Leuchten aus A mit einem errechneten CCT von 4000 K, die aber deutliche Abweichungen beim tatsächlichen Farbton zeigen. Bei den Leuchten aus B beträgt der errechnete CCT 4000 K und der SDCM-Wert <1. Hier liegt der Zielfarbort auf der Black Body Curve.
(Bild: ESYLux)

Wer erinnert sich nicht daran, wie übersichtlich noch vor wenigen Jahren das Leuchmittel-Sortiment im Einzel- oder Großhandel ausfiel. Inzwischen tummelt sich hier eine Vielzahl von Anbietern, aus Deutschland, Europa und dem Rest der Welt. Das vergrößert die Auswahl – erschwert jedoch die Wahl. Außerdem wächst bei einem so großen Angebot nahezu zwangsläufig die Gefahr, dass in Sachen Qualität manches auf der Strecke bleibt. Und in der Tat: LED ist längst nicht gleich LED.

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Ein Faktor, der hier mittlerweile zwingend auf den Prüfstand gehört, ist das Flimmern. Das Flimmern entsteht in der Regel, wenn sich die Stromschwankungen des Wechselstroms direkt auf das Leuchtmittel übertragen. Dies führt zu schnellen periodischen Wechseln zwischen hoher und niedriger Beleuchtungsstärke. Bei der Glühlampe gab es dieses Problem nicht, da der glühende Wolfram-Draht zu träge ist, als dass er die 50-Hz-Frequenz des Netzes direkt in ein entsprechendes Flimmern hätte umsetzen können. LEDs hingegen reagieren sofort.

Maßstab des Flimmern ist der Flicker-Faktor

Als einheitlicher Maßstab für das Flimmern dient der sogenannte Flicker-Faktor. Dieser wird in Prozent angegeben und errechnet sich aus dem Verhältnis von maximaler, minimaler und durchschnittlicher Beleuchtungsstärke eines Leuchtmittels. Zum Vergleich: die Glühlampe hatte einen Flicker-Faktor von 0%.

Das menschliche Auge kann Flimmern erkennen, sobald die Frequenz den sogenannten Flimmer-Schwellenwert unterschreitet. Dieser liegt im Bereich zwischen 20 und 80 Hz [1] . Seine genaue Lage hängt zum einen von der Empfindlichkeit des jeweiligen Menschen ab, zum anderen von der Stärke der Lichtschwankungen. Ausschlaggebend ist auch, in welche Richtung der Mensch im Verhältnis zur Lichtquelle gerade schaut. Blickt er direkt auf diese, nimmt er möglicherweise nichts wahr. Blickt er dagegen zur Seite, kann er ein Flimmern vielleicht schon erkennen. Dies liegt an der Lage der hierfür relevanten Stäbchen in der Netzhaut.

Besonders zuverlässig lässt sich dem Flimmern mit einer Filmkamera auf die Spur kommen. Denn diese nimmt ihr Bildmaterial ebenfalls mit einer bestimmten Frequenz auf. Erscheint im Film dann eine stark flimmernde Lichtquelle, kommt es zur Überlagerung beider Frequenzen. Die Folge: Dunkle Streifen überall dort, wo die Strahlen der Lichtquelle in Erscheinung treten. Im Fernsehen konnte man diesen Effekt auch schon in früheren Zeiten sehen, wenn flimmernde PC-Monitore gefilmt wurden. Heute ist jeder in der Lage, es mit seiner eigenen Handy-Kamera selbst auszuprobieren. Das ersetzt zwar keine Messung im Labor, reicht für eine einfache Demonstration aber aus.

Flimmerndes Licht ist für den Menschen gefährlich

Doch weshalb ist Flimmern überhaupt ein Problem? Der Mensch empfindet es zunächst einmal als unangenehm. Das hat einen einfachen Grund: Flimmerndes Licht ist unnatürlich. Nicht nur, weil man es von der Glühlampe nicht gewohnt ist. Auch die Sonne, also die ursprünglichste und für den Menschen in vielfacher Hinsicht beste Lichtquelle kennt kein Flimmern.

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Eine Verringerung oder, besser, eine völlige Eliminierung des Flimmerns empfiehlt sich auch, weil starkes Flimmern schnell zu Kopfschmerzen oder Unwohlsein führen kann und den Menschen ermüdet. Besonders kontraproduktiv ist dies beim biologisch wirksamen Licht, das ja genau das Gegenteil erreichen will, nämlich die Belebung des Organismus.

Mit den negativen Auswirkungen des Flimmerns ist es damit aber längst noch nicht getan. Besonders drastische Folgen können in Deutschland etwa 500.000 Personen treffen. Denn das ist die Anzahl derer, die gegen Epilepsie behandelt werden. Setzt man diese einem starken Flickern aus, sind epileptische Schübe eine mögliche Konsequenz [2] .

Auch in Produktionsbetrieben kann sich der Effekt hinderlich bis gefährlich auswirken. Zum Beispiel beim Einsatz von Drehmaschinen. Dreht sich eine solche Maschine mit, sagen wir, 5000 Umdrehungen pro Minute bei einem stark flimmernden Licht, entsteht aus dem Zusammenspiel von Dreh- und Lichtfrequenz schnell ein Stroboskopeffekt. Der Nutzer kann unter diesen Umständen nicht mehr erkennen, ob bzw. wie sich das Gerät bewegt. Die mitunter schlimmen Folgen lassen sich leicht ausmalen.

Technische Hilfsmittel gegen das Flimmern

Was also tun? Zum einen helfen elektronische Vorschaltgeräte, die die Wechselspannung gleichrichten und vor allem die Betriebsfrequenz erhöhen. Zum anderen sind Kondensatoren von entscheidender Bedeutung, die die Amplituden der Frequenzverläufe glätten. Nur dies kann eine LED-Leuchte zu 100% flickerfrei machen. Dass dies eine absolut realistische Zielstellung ist, zeigt Bild 2: Hier bleibt die Beleuchtungsstärke konstant, die Unterschiede zwischen den Amplituden sind auf diesem Messblatt nicht mehr zu erkennen.

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Gerade angesichts der möglichen Konsequenzen des Flimmerns ist es erstaunlich, dass zahlreiche Hersteller dem Thema offenbar noch immer zu wenig Beachtung schenken. Dies liegt vermutlich daran, dass eine technische Lösung des Problems Geld kostet – und manchmal auch etwas Platz. Ein Beispiel für letzteres sind die immer beliebter werdenden Retrofit-LED-Leuchtfäden, bei denen sich die komplette Ansteuerelektrik im Bereich des Schraubsockels befindet. Die Hersteller verzichten deshalb gerne auf Ausgangskondensatoren. Die LEDs flimmern dann mit höchster Intensität.

In unserem Lichtlabor prüfen wir regelmäßig fremde Lichtprodukte. Das Messergebnis einer solchen Prüfung zeigt Bild 1. Es ist ein aktuelles Produkt auf dem deutschen Markt. Der Hersteller, dessen Name ungenannt bleiben soll, bezeichnet diese Leuchte sogar als „flimmerfrei“, obwohl davon offensichtlich nicht die Rede sein kann.

Das führt zu einem weiteren Problem, das für die uneinheitliche Berücksichtigung des Flimmerns mitursächlich ist. Denn trotz der Gefahren gibt es aktuell keine Norm, die präzise Beschränkungen des Flimmerns vorgibt. Die Arbeitsstättenrichtlinie (ASR) etwa spricht zwar davon, dass Flimmern „nicht zu Unfallgefahren oder Ermüdungen führen“ dürfe und dass das „durch den Einsatz von elektronischen Vorschaltgeräten verhindert werden“ könne.

Diese Aussage galt für Leuchtstoffröhren. Bei LEDs hingegen reicht ein „elektronisches Vorschaltgerät“ allein nicht aus. Wer also glaubt, durch den Einsatz eines solchen bereits die Normenkonformität sicherzustellen, irrt. Wünschenswert ist deshalb unbedingt die Einführung eines fest vorgegebenen Grenz-Flickerfaktors einzuhalten, der offen lässt, auf welchem Wege und mit welchen Mitteln man ihn erreicht.

Solange es diesen nicht gibt, sind die Hersteller gefordert, selbstständig ihrer Verantwortung nachzukommen. Käufer sollten, ihrer eigenen oder der Gesundheit ihrer Gebäudenutzer zuliebe, unbedingt auf den Flickerfaktor in den Produktdatenblättern achten – sofern dieser denn überhaupt angegeben wird.

Die Farbstabilität bei einer LED-Leuchte

Ein weiterer Aspekt, der Nutzer und Hersteller seit Einführung der LED beschäftigt oder doch beschäftigen sollte, ist die Farbkonsistenz (gängig ist auch der Begriff Farbtoleranz). Bei einzelnen Leuchten spielt dieses Thema keine Rolle. Überall jedoch, wo mehrere Leuchten einer Serie in einem Raum installiert sind, führt eine geringe Farbkonsistenz leicht zu einem unschönen Farbenspiel, vielleicht sogar mit einem hässlichen Grünstich zwischendurch.

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Zwar ist dies in erster Linie eine Frage der Ästhetik. Allerdings braucht es dafür keine allzu hohen Ansprüche. Wer dieses Phänomen bereits einmal mit eigenen Augen gesehen hat, wird es in seinem Gebäude auf jeden Fall vermeiden wollen.

Auch das Problem gab es bei der Glühlampe nicht. Wer eine solche kaufte, konnte sich stets darauf verlassen, mit einer 60-W-Glühlampe von Hersteller XY exakt das gleiche Weiß zu bekommen wie mit einer zweiten 60-W-Glühlampe aus demselben Hause – zumindest dann, wenn diese von gleicher Bauart war oder, präziser formuliert, die gleiche Farbtemperatur in K hatte. Gemessen wurde sie damals direkt am Wolframdraht der Glühlampe. Es handelte sich also um eine reale Temperatur. Deshalb leuchteten zwei Glühlampen beispielsweise mit 2700 K auch mit dem exakt gleichen warmen Weiß.

Ganz anders bei der LED. Zwar geben Hersteller hier ebenfalls einen bestimmten Kelvin-Wert an. Dies allerdings nur, weil es ihnen an einer Alternative fehlt. Denn mit der „Temperatur“ im eigentlichen Sinne hat es beim Warm-, Neutral- oder Kaltweiß von LEDs rein gar nichts mehr zu tun: An keinem Ort der LED werden auch nur annähernd so hohe Temperaturen erzeugt wie am Wolframdraht der Glühlampe. Die Kelvin-Angabe bei LEDs dient allein dazu, einen Vergleichswert zu erhalten (ähnlich wie bei der Leistung (W), um die ungefähre Helligkeit anzugeben, obwohl der Lumen-Wert dafür geeigneter wäre).

Tatsächlich handelt es sich bei der Kelvin-Angabe nur um die „ähnlichste“ Lichtfarbtemperatur oder auch Correlated Color Temperature (CCT). Es wird keine Wärme gemessen, sondern errechnet. Den Maßstab bilden die Koordinaten der CIE-Normfarbtafel und die Black Body Curve (BBC). Letztere stellt die weißen Farborte eines idealen Strahlers für verschiedene Lichtfarbtemperaturen dar oder, anschaulicher ausgedrückt: Genau auf ihr liegen die idealen Weißtöne, die denen der klassischen Glühlampe und denen des natürlichen Sonnenlichts entsprechen – vom morgendlichen und abendlichen Warmweiß bis zum Kaltweiß des Tageslichts.

Die Kenntnis der exakten Koordinaten entscheidet

Wird die Farbtemperatur nicht in Wärme gemessen, sondern nur errechnet, kann sich das bei mangelnder Sachkenntnis oder Sorgfalt eines Herstellers schnell als Fehlerquelle herausstellen: Zunächst misst ein Spektrometer das Spektrum einer bestimmten Leuchte. Das Ergebnis fließt in die Formel-Berechnung ein oder wird automatisch durch eine Software berechnet, an deren Ende dann eine ähnlichste Lichttemperatur steht.

Wer nur auf die Angabe der Temperatur achtet und sich mit einem möglicherweise erreichten Wunschergebnis begnügt, übersieht etwas Entscheidendes: Punkte mit derselben Farbtemperatur liegen keineswegs automatisch auf der Black-Body-Kurve, sondern auch darüber und darunter. Bei der klassischen Glühlampe war das kein Problem. Sie leuchtete immer weiß und lag deshalb automatisch auf der BBC. Genau das ist bei der LED nicht automatisch der Fall. Die zwei mit einem Kreuz markierten Farborte in Bild 3 liegen beide bei 4000 K.

Dennoch, und das verdeutlicht die Problematik, erzeugen sie ersichtlich unterschiedliche Farbtöne – die eine eher mit einer Tendenz zu Grüngelb, die andere ins Rötliche gehend. Was Hersteller deshalb genau kennen müssen, sind die exakten X-Y-Koordinaten der CIE-Normfarbtafel, auf denen der durch die Spektrometer-Messung ermittelte Farbort ihrer Leuchte liegt. Nur in Verbindung mit diesen Koordinaten ist die errechnete ähnlichste Farbtemperatur überhaupt aussagekräftig.

Farbreinheit oder MacAdam-Ellipsen als Alternativen

Sind die Koordinaten bekannt, existieren zwei Methoden, mit denen sich die tatsächliche Farbähnlichkeit zweier Leuchten überprüfen bzw. sicherstellen lässt. Der eine ist die Farbreinheit. Diese konzentriert sich darauf, wie nah ein bestimmter Farbort mit ähnlichster Temperatur auch tatsächlich an der BBC liegt. Sie berücksichtigt also einerseits die Lage des Farbortes in Längs-Ausrichtung zur Black Body Curve, andererseits den direkten Abstand zur Kurve. Das Entfernungs-Optimum ist eine Farbreinheit von 100. Dann liegt der Farbort exakt auf der Kurve. Von wirklicher Qualität lässt sich erst ab einem Wert von 90 sprechen.

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Die klassische Methode ist das MacAdam-Verfahren, das, wie die CIE-Normfarbtafel, aus der frühen Zeit des Fernsehens stammt. David MacAdam ging seinerzeit von einem gewünschten Ziel-Farbort aus und umgab diesen mit mehreren Ellipsen. Je größer die Ellipse, in dem der tatsächliche Farbort einer Leuchte liegt, desto größer natürlich die Abweichung vom Ziel-Farbort und desto schlechter die Farbähnlichkeit.

Dabei wird als Maßstab von Ellipsen mit verschiedenen Stufen oder Schritten gesprochen oder vom sogenannten SDCM-Wert (SDCM für „Standard Deviation of Colour Matching“). Liegt der tatsächliche Farbort innerhalb einer dreistufigen Ellipse, nimmt der Mensch den Unterschied zum Ziel-Farbort kaum noch wahr, innerhalb einer einstufigen Ellipse gar nicht mehr (Bild 4).

Welcher SDCM-Wert optimal für eine LED ist

Die Studien, auf denen das MacAdam-Verfahren basiert, wurden vor 80 Jahren mit nur einer Testperson ermittelt. Im Jahr 2014 wurden an der TU Ilmenau die Studien mit mehr Testpersonen wiederholt. Es stellte sich heraus, dass die Methodik und die Ellipsengrößen an sich bestens funktionieren. Ein gravierendes Problem gab es: Bei der MacAdam-Methode wurden nur ganz bestimmte Farborte auf der CIE-Normfarbtafel mit Ellipsen versehen. Es existiert also eine endliche Anzahl der Farborte, die auf der gesamten Normfarbtafel verteilt liegen.

Orientiert man sich blind daran, bekommt man ähnliche Probleme, wie sie mit der ähnlichsten Farbtemperatur beschrieben wurden. Es führt kein Weg daran vorbei, sowohl die Koordinaten der BBC exakt zu kennen als auch die der Farborte der jeweiligen Leuchte. Die Ellipsen-Mittelpunkte mit den Ziel-Farborten müssen genau auf die BBC gesetzt werden. Nur so ist sichergestellt, dass sich der Leuchten-Farbort nicht nur nah am Ziel-Farbort befindet, sondern dass es sich dabei auch um rein weißes Licht handelt.

Labore wie unseres, die Produkte verschiedener Hersteller vermessen, erhalten immer wieder Leuchten mit SDCM-Werten von 10 oder mehr. Das zeigt, dass die Qualität noch stark schwankt. Und dass, obwohl seitens der EU seit 2013 ein Mindestwert von 7 SDCM vorgeschrieben ist. Über die Gründe hierfür lässt sich nur spekulieren. Ebenfalls auffällig ist, dass selbst anspruchsvolle Hersteller häufig nur bei Leuchten den SDCM-Wert angeben, bei denen ihnen daran gelegen ist. Endverbraucher und Gebäudebetreiber sollten deshalb beim Einkauf unbedingt darauf achten. Ein SDCM-Wert von weniger als 3 wäre eine optimale Wahl.

Quellen:

[1] Hentschel, H.-J.: Licht und Beleuchtung. Grundlagen und Anwendungen der Lichttechnik, 5th ed. Hüthig, 2001 .

[2] Margarete Pfäfflin (Epilepsiezentrum Bethel, Bielefeld), Theodor W. May (Gesellschaft für Epilepsieforschung, Bielefeld), Hermann Stefan (Zentrum Epilepsie Erlangen, Universitätsklinik Erlangen), Udo Adelmeier (Verein zur Erforschung der Epidemiologie der Epilepsien, Burgwedel): EPIDEG-Studie 1997.

* Dr. Claudius Noack ist Leiter der Lichtentwicklung bei dem Automations-Spezialisten ESYLUX.

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