Charakterisierung und Minimierung von LED-Flackern in Beleuchtungsanwendungen

Das Ersetzen traditioneller Glühlampen mit effizienten, kühlen und langlebigen LEDs ist eine gute Idee. Aber wie bei allen guten Ideen ist die Umsetzung ein wenig härter als zuerst gedacht.

Obwohl LED-Leuchten mit Treiberschaltkreisen ausgerüstet werden können, um sie an das bestehende Hausstromnetz anzuschließen, besteht die Gefahr, dass ein Flackern als Ergebnis der Brummspannung am Ausgang des Netzteils auftritt. Flackern tritt bei den meisten Beleuchtungseinrichtungen auf und einige Verbraucher beschweren sich, dass sie sich dadurch unangenehm oder sogar krank fühlen.

LED- und Leuchtenhersteller sind daran interessiert die  Wurzel des Problems zu finden, denn sollte die Halbleiterbeleuchtung einen schlechten Ruf auf Grund von Flimmern erhalten - wenn auch unverdient - wird es schwieriger werden, die Verbraucher zu überzeugen sich von traditionellen Leuchten zu trennen.

Dieser Artikel untersucht die Ursache des Flackerns, beschreibt, warum es ein besonderes Problem für LEDs ist und erklärt, wie technische Verwaltungs- und Normen-Gremien versuchen, das Phänomen für Testhäuser und LED-Treiber-, Chip- und Leuchtenhersteller zu quantifizieren. Danach wird der Artikel einige der jüngsten Produkteinführungen von großen Halbleiterherstellern beschreiben, die für sich in Anspruch nehmen, flimmerfreie LED-Beleuchtung auf kostengünstige Art und Weise umsetzen zu können.

Der Effekt des Flackerns

Studien zufolge ist etwa einer von 4000 Menschen sehr anfällig für blinkende Lichter im Bereich von 3 bis 70 Hz. Solches offensichtliches Flimmern kann starke Beschwerden bis hin zu epileptischen Anfällen auslösen. Weniger bekannt ist die Tatsache, dass die langfristige Belastung durch (unbeabsichtigtes) Flackern höherer Frequenzen (70 bis 160 Hz) ebenfalls Unwohlsein, Kopfschmerzen und Sehstörungen verursachen kann.

Leider, es sei denn die Person befindet sich im natürlichen Tageslicht, wird sie mit hoher Wahrscheinlichkeit diesem Flackern höherer Frequenzen ausgesetzt werden, weil alle netzbetriebenen Lichtquellen, ob Glüh-, Halogen-, Leuchtstoff- oder LED-Lampen flackern. Die Quelle ist die Wechselstromkomponente der Stromversorgung und die Frequenz des Flackerns ist typischerweise entweder gleich der Netzfrequenz (üblicherweise 50 bzw. 60 Hz) oder das Doppelte der Netzfrequenz.

Tests zeigen, dass Menschen es schwierig finden, flackerndes Licht bei diesen höheren Frequenzen direkt zu spüren, aber das scheint kaum von Bedeutung. Wissenschaftler haben erforscht, dass die menschliche Netzhaut in der Lage ist, Lichtflackern bei 100 bis 150 Hz aufzulösen, auch wenn das Subjekt sich dessen nicht bewusst zu sein scheint, was zu dem Schluss führt, dass das Gehirn sehr wohl reagieren kann.

Die heimtückischen Auswirkungen dieses sogenannten unmerklichen Flimmerns im Bereich von 100 bis 150 Hz sind nicht nur eine Funktion der Frequenz; physikalische und physiologische Faktoren spielen ebenfalls eine große Rolle. Zum Beispiel ist helles Licht schlechter als dunkles und der Unterschied zwischen "hellen" und "dunklen" Teilen des Beleuchtungsmusters ist wichtig (ein Licht, das im "Aus"-Abschnitt des Zyklus völlig dunkel ist, ist schlimmer, als eines, dass nur teilweise abgedunkelt wird). Rotes Licht und abwechselnd rotes und blaues Licht kann besonders störend sein und die Position der Lichtquelle auf der Retina ist ebenfalls wichtig, da Licht, das von der Mitte erfaßt wird, schlechter aufgelöst wird, als das, das auf die Peripherie fällt.

Einige Forscher behaupten sogar, dass die Netzhaut Flackern bis zu 200 Hz spüren kann, aber Tests haben gezeigt, dass oberhalb von 160 Hz die gesundheitlichen Auswirkungen des Flimmerns vernachlässigbar sind.¹

Definieren von Flackern

Bis vor kurzem waren Lichttechniker bezüglich der Auswirkungen des unmerklichen Flackerns relativ unbekümmert. Allerdings haben die Verschärfung der Sicherheits- und Gesundheitsvorschriften, bessere Forschung und zunehmende Beschwerden von Mitarbeitern in Büros, die durch allgegenwärtige Leuchtstoffröhren beleuchtet werden, zum Handeln geführt.

Aber wer kann ohne eine Definition für das Flackern sagen, ob eine Lichtquelle besser ist als andere? Die "Illuminating Engineering Society of North America" (IESNA) hat diese Herausforderung adressiert und gab eine Definition von "Prozent Flackern" und einen "Flacker-Index" in der neunten Ausgabe des "The IESNA Lighting Handbook" bekannt. Figur 1 zeigt, wie die Kennzahlen definiert sind.

"Prozent Flackern" ist ein relatives Maß der zyklischen Variation in der Ausgabe einer Lichtquelle (d.h. die prozentuale Modulation). Dies wird manchmal auch als "Modulationsindex" bezeichnet.

Aus der Abbildung: Prozent Flackern = 100 x (A - B) / (A + B)

Der Flacker-Index, so das Handbuch, ist ein "zuverlässiges relatives Maß der zyklischen Variation in der Ausgabe von verschiedenen Quellen an einer bestimmten Netzfrequenz. Er berücksichtigt die Wellenform der Lichtausgabe sowie die Amplitude". Der Flacker-Index nimmt Werte von 0 bis 1,0 an, wobei 0 für eine Dauerlichtausgabe steht. Höhere Werte entsprechen einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für ein spürbares Lampenflackern, sowie für Stroboskopeffekte.

Wiederum aus der Abbildung: Flacker-Index = Fläche 1 / (Fläche 1 + Fläche 2)

Das Problem mit LEDs

Die physikalischen Eigenschaften der LEDs erfordern, dass sie in einer anderen Weise mit Strom versorgt werden als andere Lichtquellen (siehe TechZone-Artikel "Understanding the Cause of Fading in High-Brightness LEDs”).

LEDs sind, wie der Name schon sagt, eine Form der Diode. Im Normalbetrieb wird eine konstante Durchlassspannung von ausreichender Größe (in der Regel mit der LED in Reihe mit einem Widerstand) angewendet, so daß die Komponente in ihrer Leitungsregion arbeitet. Durchlassspannungen für kommerzielle Komponenten hoher Helligkeit liegen in der Regel im Bereich von 3 bis 4,5 V. Die Beziehung zwischen Durchlassspannung (VF) und Durchlassstrom (IF) ist wichtig, weil der Strom den relativen Lichtstrom (im wesentlichen die Helligkeit) der LED bestimmt.

Der Gerätehersteller wird üblicherweise einen engen Arbeitsbereich für eine LED empfehlen, der in der Regel ein Kompromiss zwischen Helligkeit und Effizienz ist.

Figuren 2a und b veranschaulichen Spannung vs Strom und Strom vs relativem Lichtstrom für eine "Cree XLamp ML-B LED". Variationen in der Durchlassspannung beeinflussen den Durchlassstrom und damit den Lichtstrom.

Die Versorgung eines LED-Chips von einer Wechselstromquelle erfordert einen Abwärtsregler, um die 110 bis 115 oder 230 bis 240 V (50 oder 60 Hz) Netzversorgung der meisten Länder auf den bescheidenen Spannungs- und Strombedarf von LEDs herunterzuregeln. Beachten Sie, dass Leuchten in der Regel sechs bis acht LED-Chips pro Gerät verwenden, so dass der Energiebedarf für jede Einheit höher ist als die für eine einzelne LED.

Eine Grundform der LED-Treiber umfaßt einen Vollwellengleichrichter, der mit einer mit einem Widerstand zur Strombegrenzung in Reihe geschalteten LED-Kette verbunden ist (Fig. 3). Dieser Ansatz moduliert die LEDs mit der doppelten Netzfrequenz (d.h. 100 bis 120 Hz). Da die Lichtstärke proportional zum Strom ist, blinkt die LED mit dieser Geschwindigkeit (Fig. 4).

Alle Lichtquellen, die vom Wechselstromnetz betrieben werden, werden wahrscheinlich flackern. Aber LEDs sind besonders schlecht, weil der Flacker-Index (oder die Modulationstiefe) in der Regel schlechter ist, als bei herkömmlichen Lichtquellen.

Dies liegt daran, dass LEDs besonders schnell auf Stromänderungen reagieren. Bei 120 Hz haben sowohl die LED selbst als auch sein weißlicht-emittierendes Phosphor genügend Zeit, die Herstellung von Photonen während des "Aus"-Abschnitts der Wellenform vollständig zu stoppen. Im Gegensatz dazu haben herkömmliche Lichtquellen, insbesondere Glüh- und Halogentypen eine gewisse "Trägheit". Dies bedeutet, dass auch während des "Aus"-Abschnitts des Zyklus noch Photonen emittiert werden.

Tabelle 1 fasst das prozentuale Flackern und den Flacker-Index verschiedener Lichtquellen, einschließlich von Gleichstrom- und Wechselstromquellen betriebenen LEDs zusammen.² (Die Spalten "Min.", "Max." und "Mittelwert" fassen die relative Intensität der jeweiligen Quelle zusammen.)

Wie oben erwähnt, hat neben der Frequenz auch der Flacker-Index eine signifikante Wirkung darauf, wie das Licht sich auf das Befinden des Menschen auswirkt. Ein höherer Flacker-Index macht sich tendenziell mehr bemerkbar und ist somit potenziell schädlicher.

	Max.	Min.	Mittelwert	% Flackern	Flacker-Index
Glühlampe	12,180	10,745	11,460	6,2594	0,0194
100 W MH	9,1472	3,2066	6,5147	48,088	0,1398
T12 Magnetic	9,6281	4,6256	7,1565	35,096	0,0897
T5HO Elec	10,52	9,960	10,20	2,734	0,0036
LED bei DC	43,4	41,0	42,2	2,84	0,0037
LED mit Flackern	15,996	0,0555	6,3026	99,309	0,4498

Verbesserte LED-Treiber

Die meisten heutigen LED-Treiber sind ein wenig anspruchsvoller als das einfache Beispiel in Abbildung 3 und die Verwendung von Hochfrequenz-Schaltnetzteilen ist aufgrund ihrer Effizienz sehr beliebt. Durch die Schaltversorgungen genutzte Eingangs- und Ausgangsfilter reduzieren die Wechselstromkomponente der Stromversorgung am Ausgang drastisch, aber eine Restwelligkeit ist unvermeidlich. Einige Einheiten sind schlechter als andere und es wird dem Ingenieur empfohlen, seine LED-Treiber sorgfältig auszuwählen.

Während LED-Schaltnetzteile zur Verringerung des Flacker-Index durch Abschwächen der AC-Komponente ihrer Ausgabe beitragen, wird die Frequenz des Flackern mit der doppelten Netzfrequenz nicht betroffen und bleibt in dem Bereich, der von den Forschern als ein Problem für Menschen identifiziert wurde.

Die einflussreiche US-Umweltschutzbehörde (EPA) hat versucht, das Problem durch die Empfehlung zu adressieren, dass die Betriebsfrequenz für LEDs bis 150 Hz angehoben werden sollte. Zu den ENERGY-STAR-Spezifikationen der Organisation - an die ein Hersteller sich halten muss, wenn er sich für die wirtschaftliche Vorteile der ENERGY-STAR-Zertifizierung qualifizieren will - gehört eine, die sich auf das Flackern bezieht.

Im Jahr 2009 wurde die Spezifikation in Bezug auf das Flackern geändert und eine Mindest-LED-Betriebsfrequenz von 150 Hz festgelegt, erhöht von 120 Hz in der vorherigen Version der Spezifikation. LED- und Halbleiterhersteller waren nicht sehr erfreut, da die Änderung ihrer Produkte zur Anpassung an die neue Frequenz sehr teuer gewesen wäre.

In einem Brief an interessierte Parteien vom März 2010³ gab die EPA nach und änderte die Spezifikation wieder auf die ursprünglichen 120 Hz, wo sie bis zum heutigen Tag verblieb.

Dennoch gibt es viele LED-Treiber auf dem Markt, die direkt an eine Netzversorgung angeschlossen werden und behaupten "flimmerfrei" zu funktionieren. Cirrus Logic, zum Beispiel, hat vor kurzem seine CS161x-LED-Treiberfamilie (CS1610-FSZ, CS1611-FSZ) herausgebracht. Die Chips sind für den Einsatz mit 100 bis 120 V AC und 220 bis 240 V AC Netzspannungen ausgelegt und bieten den zusätzlichen Vorteil der Aufrechterhaltung der flimmerfreien Leistung, auch wenn herkömmliche Dimmschalter verwendet werden (die oft Komplikationen für LED-Treiber einführen und den Flacker-Index beeinträchtigen).

CUI Inc. bietet ebenfalls einen Konstantstromtreiber, der flimmerfreie Leistung bei voller Helligkeit und mit traditionellen Dimmschaltern bietet, die so genannte V-Infinity VLED15 (Figur 5). Das Modul steht in zwei Versionen zur Verfügung, eine für 115 V AC Eingänge und die andere für 230 V AC Eingänge.

Eine weitere Option ist das BP5843A von ROHM Semiconductor. Es handelt sich um ein 11-poliges SIP-Modul, das verwendet werden kann, um mehrere in Serie oder parallel geschaltete LEDs hoher Helligkeit über ein 113 bis 170 V Netzteil zu versorgen. Das Modul verfügt über eine niedrige Spitze-zu-Spitze-Welligkeit der Ausgangsspannung, um die flimmerfreie LED-Leistung sicherzustellen.

Zusammenfassung

Beleuchtungsingenieure, die LED-Leuchten entwerfen, können auf viele Vorteile für ihre Lichtquellen zurückgreifen, wie Wirksamkeit, Langlebigkeit und Robustheit. Allerdings müssen sie sich der möglichen negativen Reaktionen auf ihre Produkte im klaren sein, die aufgezeigt werden könnten, wenn der Verbraucher sich unter einer Halbleiter-Beleuchtung unwohl fühlt.

Obwohl das Flackern unmerklichen ist, könnte es immer noch ein Problem darstellen. Zum Beispiel haben Arbeitnehmer in Büros mit flackernden Leuchtstoffröhren schnell auf das "Sick-Building-Syndrom" (gebäudebezogene Krankheit) als Grund für die höher als durchschnittlichen Fehlzeiten verwiesen. Es gibt keinen direkten Beweis dafür, dass das Flackern das Unbehagen verursacht, aber jüngste Forschungsergebnisse schlagen vor, dass es dafür eine gute Chance gibt.

Folglich ist die Entwicklung von LED-Beleuchtungen mit Flackerreduktion eine gute Idee. Wählen Sie einen qualitativ hochwertigen Hochfrequenz-LED-Schalttreiber, da dieser die AC-Komponente in der Spannung und die Stromwelligkeit am Ausgang minimiert - was wiederum die Modulationstiefe des Flackerns der LED begrenzt. Und obwohl weitere Forschung notwendig ist, um die Annahme der Beeinträchtigung der Gesundheit zu bestätigen, ist es definitiv eine gute Idee, LED-Treibern zu finden, die die AC-Komponente in der Restwelligkeit bis 150 Hz oder höher konvertieren, da es frühe Anzeichen dafür gibt, dass bei dieser Frequenz das Flackern einen vernachlässigbaren Effekt auf die Gesundheit hat.

Referenzen:

1. “A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker,” IEEE Standard P1789, Februar 2010.
2. “The Evaluation of Flicker in LED Luminaires,” Michael Grather, President, Luminaire Testing Laboratory, Inc.
3. Offener Brief von Alex Baker, Programmmanager für Beleuchtung, ENERGY STAR, vom 22. März 2010.