Was bedeutet „flickerfrei“ beim Dimmen?

Was bedeutet „schlechte Dimmung“ bei LED als Leuchtmittel und warum wird Dimmen bei LEDs zum Problem?

(Bild: Herbert Bernstädt)

Inhalt dieses Grundlagen-Artikels:

• Trägheit
• Treiber
• PWM
• Das PWM-Problem
• Lösungsansätze mit PWM
• CCR
• 100 % und doch Geflicker
• Fazit

Kopfschmerzen, Unwohlsein, Konzentrationsschwäche – dies können Auswirkungen beim Menschen sein, während elektronische Aufzeichnungsgeräte eine schlechte Dimmung mit Rolling-Shutter-Effekt oder Blinken und Flackern quittieren. Warum scheint dies nur bei LED aufzutreten? Mit den anderen Leuchtmitteln wie Halogen- oder Entladungslampen hatten wir doch auch nicht solche Probleme – oder?

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Trägheit

Wenn wir von Dimmen sprechen, verbinden wir es oft auch mit dem Gerät „Dimmer“. Betrachten wir die Allgebrauchslampe, so wird diese bei einer Wechselspannung von 50 Hz betrieben. Folglich durch läuft der Strom 100 Mal pro Sekunde die Nulllinie. Wird die Lampe nun mit einem Phasenabschnitts- oder Pasenanschnittsdimmer gedimmt, verändert sich die Zeit, in der kein Strom durch das Leuchtmittel fließt, entsprechend der Dimmung. Trotz periodischer Schaltvorgänge ist das Erhitzen so träge, dass eigentlich immer konstant Licht durch das Nachglühen des Drahtes abgestrahlt wird. Gerade bei großen, leistungsstarken Leuchtmitteln kann man beim Abschalten deutlich das langsame Ausglimmen beobachten: Mit der Zeit wird das Licht immer rötlicher und dunkler und ist dann nach kurzer Zeit erloschen. Dank dieser Trägheit ist trotz relativ niedriger Frequenz und der beschnittenen Wechselspannung keinerlei Flickern oder Flackern für unsere Augen zu erkennen. Man genießt einen relativ kontinuierlichen Lichtstrom, so wie wir es von unserem Tageslicht oder Kerzenschein gewohnt sind.

Mit der LED haben wir jedoch einen Halbleiter, der im Nanosekundenbereich auf angelegte Spannungen bzw. Ströme reagiert und diesen genauso schnell in Licht umsetzt. Denn wie wir bereits wissen, sendet die LED umso mehr Lichtphotonen aus, je mehr Strom durch den p-n-Übergang fließt. Wir können also mit der Regelung des Stroms die Helligkeit umgehend regeln. Zwar gibt es auch LED-Leuchtmittel, die direkt über die Versorgungsspannung betrieben werden und die man auch mit einem Phasen-An- oder -Abschnittsdimmer betreiben kann, jedoch gibt es hierbei Probleme im unteren Dimm-Stellbereich, ähnlich wie bei einer Entladungslampe. Deshalb konzentrieren wir uns im Folgenden auf LED-Systeme, die eine Netzspannung zu einem Gleichstrom wandeln und darauf mit einer sekundären Treiberelektronik gedimmt werden können.

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Treiber

Die Stromhöhe der LED könnte man mit der Spannung an der Leuchtdiode regeln. Betrachten wir die Diodenkennlinie (siehe „Welche Technik eignet sich für eine Umrüstung auf LED-Beleuchtung?“) sehen wir aber auch, dass kleinste Spannungsänderungen hohe Stromänderungen zur Folge haben. Also ist eine Spannungsregelung ungünstig. Besser ist es, den Stromfluss selbst zu regeln. Betrachten wir aber den Farbort des abgestrahlten Lichts bei niedrigen Strömen und vergleichen diesen mit dem Farbort bei hohen Strömen, erkennen wir, dass der Farbort – wenn auch geringfügig – von der Stromhöhe abhängig ist.

Darüber hinaus ist es relativ aufwendig, eine Analogschaltung zur Regelung der Stromhöhe im Vergleich zu einer Digitalschaltung zu entwickeln. Demzufolge hat sich weitläufig die sogenannte Pulsweitenmodulation (kurz PWM) zum Dimmen von LEDs durchgesetzt.

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PWM

Die Pulsweitenmodulation (PWM – aus dem Englischen: Puls Width Modulation) ist die effektivste Art, LEDs mit Strom zu betreiben, wenn sie gedimmt werden müssen. Um die LED zu dimmen, schaltet man einfach schnell den konstanten Strom zu bzw. ab. So wird zu jeder Zeit der Nominalstrom gefahren, was den höchsten Wirkungsgrad, den stabilsten Farbtemperaturdrift bzw. allgemein das kleinste Paramaterdriftverhalten gegenüber anderen Dimmverfahren aufweist. Zum anderen ist ein zyklisches Ein- und Ausschalten der LED schaltungstechnisch relativ einfach zu realisieren.

Dazu wird meist innerhalb einer festen Grundfrequenz ein Stromblock so lange eingeschaltet, dass damit proportional die Leistung der LED erreicht wird. Wenn man also den Block nur 1/10 der Zeit innerhalb der Grundfrequenz einschaltet, wird auch nur ein 1/10 der Leistung von der LED innerhalb dieser Grundfrequenz wiedergegeben. Das Verhältnis der Impulslänge zur Periodendauer wird auch Tastgrad (eng.: duty cycle) genannt. Die Breite des Pulses regelt die Leistung und ist leider nicht mit der Helligkeit proportional. Denn die Empfindlichkeit unseres Auges in Bezug auf Helligkeitsunterschiede ist nicht linear, sondern eher logarithmisch.

Wenn man den Lichtstrom um den Faktor 10 (also dimmen von 100% auf 10 %) reduziert, entspricht das etwa gerade einmal einer empfundenen Helligkeitsreduktion um die Hälfte. Dieser Effekt trägt ebenfalls zu dem Empfinden bei, dass im untersten Stellbereich die LED meist nur grob geregelt erscheint.

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Konstantstromquelle

An dieser Stelle legen wir einen kleinen Elektronik-Exkurs ein: Wie erreicht man einen konstanten Strom unabhängig von der angeschlossenen Last oder der anliegenden Spannung. Nach dem 2. Kirchhoff‘ schen Gesetz (Maschenregel) ist die Summe der Spannungen bei einem geschlossenen Umlauf in einem Netzwerk aus Stromzweigen gleich Null. Der p-n-Übergang von Halbleitern ist ideal gesehen belastungsunabgängig, die dabei entstandene (Diffusions-)Spannung beträgt 0,6 Volt. So gesehen hebt sich die Spannung einer Diode mit der Spannung des p-n-Übergangs des Transistors auf. Also muss die Spannung der zweiten Diode gleich der Spannung am Widerstand sein. Der Widerstandswert ist konstant, so wie die p-n-Spannung an der zweiten Diode ideal konstant ist. Folglich ist nach U = R × I der Strom durch den Widerstand ebenfalls konstant. Wir erhalten theoretisch somit bei einem 47-Ohm-Widerstand einen konstanten Strom von 12,8 mA (0,6 V / 47 Ohm).

Bleibt jetzt die Frage, wie man die Leuchtdioden mit diesem konstanten Strom ankoppelt. Diese Aufgabe übernimmt der Transistor. Da der Basisstrom durch den hohen Verstärkungsfaktor des Transistors gegenüber dem Kollektor-Emitter-Strom verschwindend gering ist, kann er den Wert Null annehmen. So ist nach dem 1. Kirchhoff‘schen Gesetz (Knotenregel) die Summe aller zufließenden Ströme gleich der aller abfließenden Ströme.

So können nun eine oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden mit dem gleichen konstanten Strom angetrieben werden. Voraussetzung ist, dass die Betriebsspannung größer ist als die Summe der Spannungsabfälle über den in Reihe geschalteten LEDs, der Transistor-Kollektor-Emitter-Strecke sowie dem Spannungsabfall an dem Widerstand, der für die Größe des konstanten Stroms verantwortlich ist.

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Das PWM-Problem

Wenn etwas schnell ein und ausgeschaltet wird und wir beide Betriebszustände klar unterscheiden können, bezeichnen wir es zunächst als Blinken. Je schneller sich die Ein- und Aus-Zustände ändern, umso weniger können unsere Augen dies als getrennt erfassen und vermischen die beiden Zustände zu einem Mittelwert entsprechend dem Tast-Verhältnis von Ein und Aus. Die Grenze dieser Wahrnehmbarkeit bezeichnet man auch als Flackern oder Flimmern (engl.: flicker). Die Flimmer-Verschmelzungsfrequenz liegt im Maximalfall bei ca. 80 Hz, und so sollte eine PWM theoretisch oberhalb 80 Hz mit ein wenig Abstand, also 100 Hz liegen. Da wir mit 100 Hz, bzw. 120 Hz in den USA, das Doppelte der Netzversorgungsspannungs-Frequenz vorliegen haben, lassen sich so auch preiswerte LED-Treiber realisieren.

Jedoch ist diese Frequenz zu klein gewählt, denn im Bereich von 100 bis 400 Hz kann das Flickern des Lichtes, auch wenn es nur unbewusst wahrgenommen wird, negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben. Dies wird in der IEEE 1789 „Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers“ beschrieben. Dazu betrachtet man beim visuell wahrgenommenen Flackern (1 bis 70 Hz) Frequenzen zwischen 1 und 30 Hz, die in der Veranstaltungstechnik als Stroboskop-Effekt beschrieben und eingesetzt werden. Ist man einem Flackern von 15 bis 20 Hz ausgesetzt, können auch bei kurzem Aufenthalt einer solchen Lichtumgebung Krampfanfälle bei Epilepsie-Neigung ausgelöst werden.

Unrühmliches Beispiel: Die Übertragung einer japanischen Zeichentrickserie im TV löste eine massenhafte Epilepsiewelle bei Kindern aus, als über vier Minuten schnelle Farbwechsel von Rot nach Blau mit einer Frequenz von 12 Hz ausgestrahlt wurden. Dabei spielen auch Faktoren der weiteren Umgebungslichtverhältnisse bzw. das Sichtfeld und die Leuchtdichte auch die Lichtfarbe eine Rolle. Wenn nur noch die Stäbchen auf der Netzhaut (zuständig für Helligkeit, Nachtsehen oder Dämmerungssehen) angeregt werden, sinkt die sogenannte Flimmerverschmelzungsfrequenz auf 15 Hz bzw. 6 Hz, während bei normal heller Umgebung, bei dem die Zapfen Farbe detektieren, erst oberhalb von 30 bis 80 Hz das Flickern verschwimmt. Dabei ist auch zu beobachten, dass der Mensch im peripheren Bereich der Netzhaut eher ein Flickern wahrnimmt als im Zentrum. In ihrer visuellen Wahrnehmung sensiblere Menschen können sich von einem Flickern gestört fühlen, das für andere keine Auswirkungen hat.

Aber nicht nur die Frequenz der Ein-/Aus-Taktung, auch Flicker Index (FI) genannt, spielt eine Rolle, sondern auch das Vorhandensein einer Grundhelligkeit, welches auf der diese Taktung aufliegt. Diese Modulation (Mod%) beschreibt den Abstand zwischen Minimum und Maximum dieser Taktung. Ein Rechtecksignal (von absolut dunkel zu 100 Prozent hell) hat demnach eine Modulation von 100 %, während trotz Trägheit bei einer Halogenleuchte noch eine Restwelligkeit von 10 % zu messen ist. Bei einer durchgesteuerten LED (also 100 % angesteuert) haben wir meist eine durchgehende Gleichspannung und somit auch keine Restwelligkeit und damit eine Modulation von 0 %. Im Allgemeinen reagieren Menschen bei länger flackerndem Licht innerhalb der eben genannten Frequenzen mit starken Kopfschmerzen oder eingeschränkter Sehfähigkeit.

Betrachten wir den Bereich des unbewusst wahrgenommenen Flackerns oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz von ca. 80 Hz. Hier konnte man den Einfluss auf das neurologische System sogar noch bei Frequenzen von 160 Hz und Reize auf der Netzhaut bei 200 Hz beobachten. In Studien wurden dabei Auswirkungen wie Kopfschmerzen, Migräneanfälle oder Erschöpfungszustände, aber auch verringerte Sehleistung und Einschränkung der Leseleistung nachgewiesen. Man geht also von einem erhöhten Kopfschmerzrisiko bei 100 Hz mit einer Modulation über 35 % aus.

Verlassen wir die Physiologie des Menschen und widmen uns den elektronischen Aufzeichnungsgeräten wie Kameras, die bei LED-Licht arbeiten und bei der regelmäßigen Abtastung sowohl die Lichtblöcke als auch die Aus-Zustände erfassen. Die Folge ist, dass das (wiedergegebene) Bild blinkt oder flackert. Weitere Effekte werden vom Timing zur Abtastung des Sensors und den Speicherzugriffen verursacht. Man kann das Flickern einfach verifizieren, wenn man die Lichtquelle über die Kamerafunktion seines Handys betrachtet.

Um diesen Flickereffekten zu entgehen, kann man die Basisfrequenz der PWM höher setzen. Für elektronische Kameras sollte man in der Größenordnung von 4.000 Hz denken. Oftmals kann man bei Scheinwerfern für Aufnahmesituationen die Dimmung auch in der Frequenz umschalten. So sind Systeme auf dem Markt, bei der man die Frequenz zwischen 1.500 Hz bis zu 8.000 Hz in mehreren oder sogar in frei wählbaren Stufen umschalten kann. Manche Scheinwerfer erlauben sogar Frequenzen zu 25.000 Hz, um damit auch Slowmotion-Aufnahmen flickerfrei auszuleuchten.

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Lösungsansätze mit PWM

Eine andere Möglichkeit, die Gefahr des Flickerns zu vermeiden, ist, die starre Struktur der PWM zu verlassen, indem man die Spannungsblöcke bei einem Stellwert in einem quasi zufälligen Muster anordnet. Das heißt, man steuert z. B. 50 % an; dabei werden die Blöcke mal 25 %, mal 75 %, mal früher, mal später auf die Basisfrequenz gesetzt und zwar so, dass dies im Mittel 50 % ausmacht. Das wirkt der Gefahr der Schwebung bei der Abtastung immens entgegen.

Ein anderer Lösungsansatz: Man dimmt LED-Arrays über mehrere Treiber in Gruppen nicht gleichzeitig, sondern hintereinander auf. So setzt man über eine durchgesteuerte Gruppe – sprich konstante Helligkeit – eine weitere PWM. Damit ist bereits eine konstante Helligkeit vorhanden, und die aufgesetzte PWM ist von der Amplitude her nicht mehr so hoch. Der Modulationsgrad wird so erheblich gesenkt, und damit werden die negativen Effekte deutlich gemindert.

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CCR

Die Alternative zur PWM oder deren Derivaten ist, wie eingangs schon erwähnt, die Regelung über den Strom, Constant Current Reduction (CCR) genannt. Die negativen Effekte, die auftreten, wenn die LED nicht mit dem Nennstrom durchgesteuert wird, kann man z. B. auch dadurch minimieren, indem man den LED-Chip z. B. mit einem Peltier-Element auf einer konstanten Betriebstemperatur hält. Im Gegensatz zum digitalen PWM spricht man hier auch von analogem Dimmen. Damit ist ein konstanter Lichtstrom vorhanden und hat keinerlei negative Auswirkung auf den Menschen oder elektronische Aufzeichnungsgeräte, selbst bei Hochgeschwindigkeits- bzw. Zeitlupenaufnahmen. Nebenbei ist damit die elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet, da die Störstrahlung durch schnelle Wechselfelder ebenfalls beseitigt ist.

Da sich die negativen Auswirkungen einer Stromregelung am stärksten im untersten Regelbereich auswirken, ist es naheliegend, beide Dimmverfahren zu vereinen: Die PWM kommt in einem Bereich von 0 bis ca 10 % zum Einsatz; darüber hinaus wird die CCR-Dimmung eingesetzt. Somit hat man die Vorteile aus beiden Verfahren optimal genutzt, was bereits in einigen Leuchtenmodellen so umgesetzt wird.

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EMV

Vorhin haben wir uns kurz über die Bitbreite und der Grundfrequenz ausgelassen. Auch hatten wir schon eine Analogie zum Dimmer angeführt. Genauso, wie der Phasenanschnitt mit seinen schnellen Stromflanken für EMV-Probleme sorgen kann, ist diese Problematik der Störstrahlung auch beim Dimmen von LEDs, nur in einem anderen Maßstab und in einer andren Frequenzebene, vorhanden. Denn mit jedem pulsierenden Stromblock wird entsprechend auch ein Strom durch die LED fließen. Innerhalb einer LED-Leuchte mit angesetztem Treiber ist diese EMV-Problematik wegen der kurzen Kabelwege zum Chip und der Gehäuseabschirmung recht einfach in den Griff zu bekommen. Jedoch wenn man LED-Streifen betreibt, die meist eingesetzt werden, um Akzente zu unterstreichen, dann wird oft ein System eingesetzt, bei dem ein größerer Treiber, weiter entfernt platziert, die LED Streifen mit dem notwendig bereits gedimmten Strom versorgt. Die langen Kabelwege wirken dabei wie eine Antenne, die die hohen gepulsten Ströme überträgt und so je nach PWM-Frequenz und steilem di/dt EMV-Störungen verursacht. Oftmals sind dann Störungen auf Video oder auch Funkstrecken die Folge. Sinnvoller ist es, im Vorfeld kleine Dimmer-Einheiten zu verwenden, damit die Ströme kleinere Werte annehmen und somit die Störstrahlung minimiert wird.

Natürlich ist die Spannungsgröße der LED-Streifen auch von Bedeutung, denn ein mit 5V betriebener Streifen benötigt viel größere Ströme als ein mit 24V betriebener Streifen bei gleicher Leistung. Wenn möglich, sollte dann der Treiber in der Nähe des LED-Streifens sitzen, um die „Antennenlänge“ so kurz wie möglich zu halten. Es gibt auch Systeme auf dem Markt, bei dem jede LED einzeln auf dem Streifen angesteuert wird. Dort ist einmal der gepulste Strom so klein wie möglich, und darüber hinaus wird in der Summe der unterschiedlichen Ansteuerungen bzw. bei nicht-synchronisierter Taktung der unterschiedlichen Prozessoren ein nicht mehr registrierbares Grundrauschen erzeugt, welches kein Pozential zur Störung mehr aufweisen dürfte.

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100 % und doch Geflicker

Betrachtet man eine neue Installation und nutzt sein Messgerät zur Überprüfung des Flickerns, so wird man im ersten Moment die zu erwartenden Werte erhalten. Dennoch kann es vorkommen, dass sich negative Auswirkungen erst nach mehreren Stunden bemerkbar machen. Beim Nachmessen kann man dann ein Flickern registrieren, obwohl die Leuchte mit 100 % angesteuert wird und eigentlich eine Gleichstromversorgung vorliegen sollte. Hier liegt die Ursache meist bei einer Schutzschaltung zur Vermeidung von überhöhten LED-Chip-Temperaturen: Wenn das Kühlsystem nicht mehr in der Lage ist, die Wärme vom LED-Board wegzuleiten, sorgt meist ein kleiner Temperatursensor auf dem Board dafür, dass die Leistung reduziert wird. So setzt dann eine PWM ein, obwohl das Steuersignal ein Durchsteuern besagt.

Das Einsetzen des Übertemperaturschutzes kann auch zum Abschalten führen, zum sofortigen Herunterdimmen auf einen definierten Wert. Dies kann dann oft vom Benutzer auch als Lichtsprung wahrgenommen werden, aber auch als sanftes Herunterdimmen, welches nicht mehr als Veränderung der Duty-Cycels erkennbar ist, aber dennoch für ein Pulsen im Raum sorgen kann.

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Fazit

LED-Leuchten werden in der Regel mit einer Puls-Weiten-Modulation gedimmt, womit ein Flickern des Lichtes einhergeht. Auch wenn man das Flickern selbst nicht mehr wahrnimmt, ist es dennoch vorhanden und kann bis zu einer Grundfrequenz von ca. 200 Hz negative Auswirkungen auf den Menschen haben. Eine kürzlich veröffentlichte Studie von Dial geht sogar so weit, dass PWM-Frequenzen, die zwischen 100 und 400 Hz liegen, negative Einflüsse auf Menschen haben können. Also sollte man darauf achten, auf was eine Werbeaussage „Flicker-Frei“ basiert. So ist anzugeben, wie hoch der Flickerindex und auch die Modulation sind oder ob die Dimmung analog oder über eine andere Art zur Flickerfreiheit beiträgt.

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