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Flimmern von Lichtquellen

Flimmern von Leuchten und Leuchtmitteln

Sie haben bestimmt schon mal gesehen, das ein Leuchtmittel flimmert.
Wie entsteht dieses Flimmern und wie kann man es vermeiden?
Das erfahren Sie auf dieser Seite.

Wie entsteht das Flimmern von Leuchtmitteln?

Strom kann auf 2 verschiedene Arten durch eine Leitung fließen. Entweder durchgehend in eine Richtung, auch Gleichstrom genannt, oder richtungswechselnd, auch Wechselstrom genannt.

Wie oft der Strom bei Wechselstrom die Richtung in einer Sekunde gewechselt wird, wird Frequenz genannt und in Hertz angegeben.

Der von den Stromversorgern in Europa zur Verfügung gestellte Wechselstrom hat eine Spannung von 230 Volt mit einer Frequenz (Amplitude) von 50Hz (Hertz).

spannung zeit diagramm
Wechselstrom, gleichgerichteter Strom

Am Spannung-Zeit-Diagramm können Sie erkennen, dass sich der Strom an den Nullpunkten nicht bewegt. An diesen Stellen ändert er seine Richtung, sprich bei einer Frequenz von 50Hz entsprechend 100 mal in der Sekunde.

Leuchtmittel leuchten nur dann, wenn Strom hindurchfließt. Da aber unser Strom kein Gleichstrom ist, leuchtet das Leuchtmittel entsprechend nicht durchgängig. Sobald der Strom seine Richtung wechselt, bewegen sich die Elektronen in diesen Momenten nicht und die Leuchte gibt kein Licht ab.

Das Flimmern ist mit dem bloßen Auge schwer zu erkennen. Unser Gehirn versucht dies auszugleichen. Allerdings kann das Gehirn an seine Grenzen stoßen. Das bekannteste Problem bei flimmerndem Licht ist der Stroboskopeffekt.

Stroboskopeffekt

Flimmert die Beleuchtung, hat dies direkte Auswirkungen auf die Arbeitssicherheit zum Beispiel bei Maschinen mit schnell drehenden Teilen.

Nehmen wir als Beispiel eine Kreissäge, welche von einem flimmernden Leuchtmittel beleuchtet wird. Die Kreissäge dreht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit. Das Leuchtmittel gibt Licht ab. Dieses wird von der Kreissäge reflektiert und trifft unser Auge. Dann geht das Leuchtmittel aber aus, da der Wechselstrom gerade seine Richtung wechselt. Die Kreissäge dreht sich in diesem Moment weiter. Nach dem Richtungswechsel leuchtet das Leuchtmittel wieder und unser Gehirn erkennt ein weiteres Bild und so weiter. Unser Gehirn versucht die Zeit, in der das Leuchtmittel kein Licht abgibt zu füllen. Aus diesem Grund ignoriert es diese Stellen. Je nach Frequenz und der Drehgeschwindigkeit der Kreissäge erscheint es, dass die Kreissäge sich in die andere Richtung dreht oder sogar still steht.

Durch das schnelle, getaktete Ein- und Ausschalten der Beleuchtung entsteht ein Effekt wie bei einem Film. Die Drehung wird nur in Einzelbildern wahrgenommen und diese im Gehirn wieder zu einer Bewegung zusammengesetzt. Je nach Geschwindigkeit der Drehung scheint das sich drehende Teil still zu stehen oder sich sogar in die entgegengesetzte Richtung zu drehen.

Eine fatale Eigenschaft – besonders im Hinblick auf die Arbeitssicherheit. Es kann zu gravierenden Unfällen kommen.

100 Hertz Flimmern

Bewusst wahrnehmen kann der Mensch Frequenzen bis 60Hz – ein unangenehmes Flimmern stört die Sehaufgabe. Unbewusst wahrgenommen werden aber weit höhere Frequenzen. Das 100Hz Flimmern von Leuchtstoffröhren zum Beispiel verursacht bei einigen Menschen Unwohlsein und Kopfschmerzen.

Tiere, wie beispielsweise Hühner oder Kühe reagieren deutlich empfindlicher auf Lichtflimmern und leiden darunter.

Auch Menschen können empfindlich reagieren. Die Folgen sind dann Unwohlsein, Kopf- oder Bauchschmerzen, Übelkeit oder Epilepsieanfälle.

Wie wird eine flimmerfreie Beleuchtung umgesetzt?

LEDs haben eine andere Funktionsweise als herkömmliche Leuchtmittel, wie z.B. Leuchtstoffröhren. LEDs besitzen einen Halbleiterkristall, welcher nur dann Licht abgibt, wenn der Strom in der Durchlassrichtung fließt. LEDs können also nicht mit reinem Wechselstrom betreiben werden, da die Elektronen nicht wieder zurückfließen können. Aus diesem Grund muss der Strom gleichgerichtet werden. Zunächst wird – vereinfacht gesagt – der untere Teil der sinusförmigen Wechselspannung nach oben geklappt. Der Strom fließt jetzt zwar im gleichen Muster, also mal fließt er, mal fließt er nicht, aber dieses Mal nur noch in eine Richtung und mit doppelter Frequenz. Als zweiter Schritt wird nun ein Glättungskondensator eingesetzt. Dieser gleicht die Stellen, an denen die Elektronen stehen bleiben aus. Dadurch entsteht zwar kein perfekter Gleichstrom, aber das Flimmern kann bis zur Unkenntlichkeit reduziert werden.

Wann kann aber ein Leuchtmittel als flimmerfrei bezeichnet werden?

Eine Möglichkeit das Flimmern zu messen, ist der relative Abstand von der Amplitude des Wechselstroms zum Gleichstromanteil. Liegt der Wert zum Beispiel unter 12%, so ist der Flimmer-Anteil praktisch unbemerkbar. Das Leuchtmittel kann als flimmerfrei bezeichnet werden. Über 50% Flimmeranteil hingegen ist das Flimmern vom Menschen bereits unterbewusst wahrnehmbar und kann das Wohlbefinden beeinträchtigen. Bei über 75% kann es dann sogar als belastend wahrgenommen werden.

Versuchsaufbau: Test MH Strahler mit Highspeed-Kamera

Slow-Motion-Aufnahmen

Für High-Speed Filme verwendet man Kameras, die mit extrem kurzen Verschlusszeiten arbeiten können. Slow-Motion-Aufnahmen werden mit einer extrem hohen Bildrate aufgenommen. Teilweise bis zu mehreren 100 000 Bildern pro Sekunde. Auch hier ist die Helligkeitsschwankung der Lichtquellen äußerst störend.

Einzelbilder werden unterschiedlich belichtet, was das Ergebnis unbrauchbar macht.

Beispiel: Forschung am Flugverhalten von Vögeln

Das Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik, Fakultät für Luft-und Raumfahrttechnik der Universität der Bundeswehr München zeichnet mit Hochgeschwindigkeitskameras das Flugverhalten von Vögeln im Windkanal auf.

Da es sich um lebende Tiere handelt, darf die Beleuchtung keine starke Wärmeentwicklung aufweisen. Ebenso müssen die Lichtquellen flimmerfrei sein, damit die Qualität des Filmmaterials möglichst hoch ist.

Ersatz von laserbasierten Lichtquellen durch hochwertige LEDs

Bisher werden vom Institut Laser eingesetzt, die wegen ihrer Größe, der aufwendigen Kühlung und Versorgung durch Hochspannung kompliziert und teuer im Praxiseinsatz sind. Des Weiteren erwiesen sich die Laser als äußerst sensibel gegenüber verschiedenen Umgebungsfaktoren, welche die Ergebnisse beeinflussten.

Auf der Suche nach einer Alternative kamen schnell LED Strahler ins Gespräch.

Die Hochleistungs-LEDs ermöglichen eine geringere Größe des Versuchsaufbaus, weisen einen deutlich geringeren Energieverbrauch auf und sind unempfindlicher gegenüber Umgebungsfaktoren.

Im Zusammenhang mit dem Versuchsaufbau erwiesen sich die LED Hallenstrahler MH Plus als sehr gut geeignet, da sie im Vergleich zu Halogenscheinwerfern und anderen getesteten Leuchten keine störenden Helligkeitsschwankungen erzeugen.

Die hochwertigen Netzteile der MH+ Strahler weisen eine Schwingung auf, deren Schwankung so gering ist, dass diese kaum messbar ist und man von konstanter Ausleuchtung der Bilder zu jeder Zeit ausgehen kann.

Für die Darstellung sich extrem schnell bewegender Objekte bedarf es sehr kurzer Verschlusszeiten. In diesem Fall ist eine leistungsstarke gepulste Lichtquelle erforderlich, um eine hohe Bildqualität zu gewährleisten.

Die LED Hallenstrahler Serie MH Plus wird in den Versuchen des Instituts für Strömungsmechanik und Aerodynamik in Zukunft als Beleuchtung eingesetzt.