Technik
Licht 1 | 2021

Neue Messwerte für TLA-Effekte

Auswahl von LED-Netzteilen im Hinblick auf neue Ökodesign-Anforderungen

LED-Netzteile müssen sorgfältig ausgewählt werden – ihre Güteklasse beeinflusst direkt die Parameter der Beleuchtungsleistung. Eine neue Ökodesign-Verordnung stellt ab September neue Anforderungen an die Netzteilauswahl, um Flicker und Stroboskopeffekte zu minimieren.

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Am 1. September 2021 tritt die neue Ökodesign-Verordnung EU 2019/2020 in Kraft, mit der sich die spezifischen Anforderungen an elektrische Geräte einschließlich LED- und OLED-Lichtquellen ändern. Zusätzlich zu den neuen Energieeffizienzklassen werden völlig neue Mindestanforderungen für Flicker und Stroboskopeffekte eingeführt. Laut der ebenfalls im September in Kraft tretenden Verordnung 2019/2015 zur Produktkennzeichnung von Lichtquellen müssen die Messwerte für PstLM und SVM in der technischen Dokumentation eines Produkts in die Produktdatenbank eingetragen und auf dem Energielabel eines Produktmodells ausgewiesen sein.

Neue Anforderungen, gleichbleibendes Problem

LEDs sind Halbleiterquellen, die unmittelbar auf sich verändernde Stromversorgungsparameter reagieren. Bei LEDs müssen bei der Auswahl einer geeigneten Stromversorgung oder beim Entwurf eines neuen Treibers nicht nur elektrische Aspekte, sondern auch optische Parameter berücksichtigt werden. Die Güteklasse der verwendeten Netzteile hat einen direkten Einfluss auf die Parameter der Beleuchtungsleistung.

Flicker und Stroboskopeffekt

Flicker ist eine periodische, schnelle und direkt sichtbare Veränderung der Lichtleistung (Lichtstrom) von einer Lichtquelle über die Zeit, und kann sowohl visuelle als auch nicht-visuelle nachteilige Auswirkungen und Beschwerden beim Betrachter verursachen. Diese sogenannten Temporal Light Artefacts (TLA) können physiologische und psychologische Effekte wie Migräne, epileptische Anfälle, Schwindel, Leistungsminderung und emotionale Veränderungen hervorrufen.

Der Stroboskop-Effekt verändert die Bewegungswahrnehmung des Beobachters durch ein zeitlich veränderliches Lichtsignal beziehungsweise Lichtverhältnisse. Diese periodischen oder nichtperiodischen Veränderungen werden von der Lichtquelle selbst oder von der Stromquelle verursacht. In einer industriellen Umgebung kann dieser Effekt Unfälle mit Personenschäden verursachen, da er die Wahrnehmung der Geschwindigkeit von rotierenden Objekten wie Maschinenteilen führt.

Neue Maßnahmen: PstLM und SVM

Für die Quantifizierung von TLA-Effekten führt die Verordnung zwei neue Messwerte ein: PstLM und SVM – die zeitbasierte (PstLM) und die Frequenzbasierte (SVM) Methode.

  • PstLM: Bei diesem Flickerindikator steht »st« für kurzzeitig und »LM« für die in den Normen definierte Methode zur Flickermessung. Ein Wert von Pst LM = 1 bedeutet: Die Wahrscheinlichkeit, dass der durchschnittliche Beobachter ein Flickern bemerkt, liegt bei 50 Prozent. Tabelle 4 der Verordnung gibt den erforderlichen Wert von Pst LM <= 1 bei einem Frequenzbereich bis 70 Hz und Volllast an und gilt für LED und OLED.
  • SVM: Das neue stroboskopische Sichtbarkeitsmaß gibt die Wahrscheinlichkeit eines Stroboskop Effekts an. Der Schwellenwert der Sichtbarkeit eines solchen Effekts ist der Wert von SVM = oder >= 1. Ist der Wert kleiner als 1, ist der Effekt für den Beobachter nicht sichtbar. Der erforderliche Mindestwert des SVM bei einem Frequenzbereich ab 80 Hz bei voller Leistung beträgt 0,4 (SVM ≤ 0,4). Dies gilt auch für LED und OLED.

Die Messungen dieser Größen müssen mit photometrischen Instrumenten durchgeführt werden, die aus einem leistungsfähigen lichtempfindlichen System (Fotodiode mit Transimpedanzverstärker) bestehen, das durch einen optischen V-Lambda-Filter ergänzt wird. Dadurch wird die Empfindlichkeitskurve des Systems an die Eigenschaften des menschlichen Auges angepasst (s. Abb.).

Abb.: Fotodiode mit Verstärker, Anti-Alias-Filter, A/D-Wandler, Datenerfassung und -analyse GL Optic

Flicker-Messinstrumente unterscheiden sich je nach FFT-Größe in Messzeit, Abtastrate, maximaler Übertragungsrate und Frequenzauflösung. High-End-Geräte tasten das Signal mit einer zehnmal höheren Abtastrate ab als die höchste erwartete Frequenz des gemessenen Signals. Das ist wichtig, um die Form des Flickersignals zu reproduzieren. Die Messungen werden in einer photometrischen Dunkelkammer durchgeführt, in der das Messgerät in einem bestimmten Abstand von der Lichtquelle platziert wird. Beide sollten stabil stehen, da Vibrationen zusätzliche niedrige Frequenzen im Signal erzeugen können. Die Lichtquelle muss vor der Messung mindestens 25 Minuten stabilisiert werden. Der PN-Halbleiteranschluss der LED hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, sodass der Wert des durch die Diode fließenden Stroms mit deren Erwärmung ansteigt. Eine andere Methode ist die Verwendung eines Messsystems mit einer Ulbricht-Kugel, das bei der Messung des Lichtstroms die Überprüfung der Flickereigenschaften ermöglicht.

Passende Messinstrumente für die neuen Messwerte

GL Optic, ein Hersteller komplexer Systeme zur Messung von optischen Lichtquellen, optischen Komponenten sowie Lampen und Leuchten, bietet für die Messung von Flicker- und Stroboskopeffekten derzeit zwei Messgeräte an. Sie wurden in Zusammenarbeit mit Philips Research positiv verifiziert und vom amerikanischen Department of Energy DOE hoch bewertet.

Das »GL Photometer 3.0 LS + Flicker« ist ein Photometer der Laborklasse. Es wurde für schnelle photometrische Messungen entwickelt und seine Elektronik wurde für eine schnelle Integration und einen großen Messbereich optimiert. Das Gerät mit USB-Schnittstelle kann für Labormessungen auf einer optischen Bank oder als Teil eines Messsystems mit einer Ulbrichtkugel verwendet werden.

Das »GL Spectis 1.0 Touch + Flicker« ist ein tragbares intelligentes Spektralradiometer. Es kombiniert Lichtflickermessung mit spektraler Lichtanalyse und erfordert keine Spezialkenntnisse. Per Knopfdruck wird die Messung gestartet und die wichtigsten Daten wie Lichtintensität, Beleuchtungsstärke CRI, TM-30, CCT und andere Messgrößen angezeigt. Wird die »Flicker«-Funktion ausgewählt und die Messtaste erneut gedrückt, zeigt das Spektrometer sofort die Lichtintensität, CRI, TM-30, CCT, PstLM- und SVM-Daten an.

Fazit: Genaue Messungen sind notwendig

Beim Entwurf von Stromversorgungs- und Steuerungssystemen für LEDs und OLED sollten die im Artikel besprochenen Parameter der Lichtwelligkeit berücksichtigt werden. In vielen Fällen reicht es aus, gute Designregeln zu befolgen, aber die steigenden Anforderungen an die Beleuchtungsparameter machen genaue Messungen der Flickerparameter unabdingbar.

Weitere Informationen:

Text: Abdel H. Naji, GL Optic , Weilheim/Teck, www.gloptic.com

Bildquelle: GL Optic

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 1 | 2021

Erschienen am 25. Februar 2021