Der Kompaktflimmergrad CFD
DIE Maßeinheit für das Lichtflimmern
CFD steht als Abkürzung für Compact Flicker Degree. Zu Deutsch: Kompaktflimmergrad.
Der CFD ist eine Maßeinheit für das Lichtflimmern in Prozent, welches aus der pythagoreischen Summe aller frequenzabhängig gewichteten Frequenzanteile bezogen auf den Gleichanteil eines Lichtsignals berechnet wird. Die frequenzabhängige Gewichtung ist proportional zur frequenzabhängigen Wahrnehmungsempfindlichkeit des Menschen.
Der CFD ist das weltweit erste sinnvolle Messverfahren zur Vermessung von Lichtmodulation, welches im Gegensatz zu allen anderen Verfahren die Amplituden aller vorkommenden Frequenzen im Hinblick auf den Einfluss auf den Menschen berücksichtigt und
diese in nur einem %-Messwert ausdrückt.
Auf der Seite Testergebnisse sind die Ergebnisse von über 1000 realen Messungen zu finden.
Der Lichtpeter hat das CFD-Verfahren als Musterbeispiel entwickelt, es ist offengelegt und an keinerlei Patent gebunden.
Seit August 2016 bietet Der Lichtpeter einen CFD-Vermessungsdienst an.
Bewertung nach dem Ampelsystem
Um den Kompaktflimmergrad CFD in der Praxis richtig zu bewerten, sind nachfolgend einige Beispiele des Lichtemissionsverlaufs aus jeder der 5 Kategorien gezeigt. Dazu eine Beschreibung, so dass man sich vorstellen kann, wie das entsprechende Lichtsignal auf den Menschen wirkt.
Der CFD von 0% (flimmerfrei) ist nicht gezeigt, in einem Bild wäre nur oben eine gerade Linie zu sehen, es entspricht dem natürlichen Tageslicht.
Die gezeigten Bilder entstehen nur durch künstliches Licht:
1% < CFD < 12%:
Dieser Verlauf entspricht dem einer gedimmten Glühlampe. Er ist für den Menschen so gut wie nicht wahrnehmbar, damit flimmerarm und unter 1% flimmerfrei. Für den Allgemein-gebrauch sehr geeignet, unter 1% zum Filmen geeignet.
"flimmerarm", Tiefgrün.
12% < CFD < 25%:
Für den Menschen möglicherweise wahrnehmbar.
Für den Allgemeingebrauch (auch öffentliche Stätten) noch geeignet, für Bürolicht weniger.
"akzeptabel", Gelbgrün.
In diesen Bereich fallen die alten Leuchtstoffröhren mit magnetischem Vorschaltgerät.
25% < CFD < 50%:
Möglicherweise wahrnehmbar und bei längerer Exposition höhere Belastung der Augen.
Stroboskoplicht möglich.
Für den Allgemeingebrauch weniger und zum längeren Arbeiten wenig geeignet. Für Straßenbeleuchtung und Tiefgaragen brauchbar.
"mäßig", Gelb.
50% < CFD < 75%:
Wahrscheinlich von mehr als 50% der Bevölkerung wahrnehmbar, erste Strobskopeffekte (phasenweise kein Licht, dunkel) bei längerer Exposition Beeinträchtigung des Wohl- gefühls und Kopfschmerzen.
Dieses Licht wird nach DIN EN 12464 zum Arbeiten als gefährlich eingestuft und ist zu vermeiden:
"stark betroffen" Orange.
CFD > 75%:
Von mehr als 75% der Bevölkerung wahrnehmbar, starke Strobskopeffekte (periodisch kein Licht, lange Dunkelzeiten) und bei längerer Exposition Beeinträchtigung der Gesundheit (Kopfschmerzen, Unwohlsein, Schwindelgefühl, u. U. Gefahr von epileptischen Reaktionen).
Dieses Licht wird nach DIN EN 12464 zum Arbeiten als gefährlich eingestuft und ist zu vermeiden:
"extrem betroffen", Rot.
CFD > 100%:
Extreme Stroboskopeffekte, jede Bewegung ist nur in Einzelsequenzen erkennbar. Fotoaufnahmen eines bewegten Objekts vervielfachen das Objekt auf der Aufnahme an unterschiedlichen Orten.
Für Diskotheken ein erwünschter Effekt.
Dieses Licht wird nach DIN EN 12464 zum Arbeiten als gefährlich eingestuft und ist zu vermeiden:
"extrem betroffen", Rot.
Nach Gesprächen mit Herstellern und Baubiologen herrscht nun Einigkeit darüber, dass ein Leuchtmittel als flimmerfrei betrachtet werden kann, wenn der CFD < 1% liegt.
Stroboskoplicht (CFD ab ca. 50%) ist nach DIN EN 12464-1 an Arbeitsplätzen zu vermeiden, das kann folglich auch sonst nicht gut sein. Leuchtmittel, die dieser Norm nicht genügen, müssten eigentlich heute schon eine Einschränkung der Verwendbarkeit aufweisen: "Zum Arbeiten nicht geeignet", hier ist definitiv eine Lücke in der EU-Kennzeichnungsverordnung.
Anforderungen an den CFD
Der Kompaktflimmergrad CFD berücksichtigt folgende Eigenschaften flimmernden Lichts:
– Wechselamplitude relativ zum Gleichanteil des Lichts,
– Flimmergrundfrequenz,
– Kurvenform (alle Frequenzkomponenten),
– Hell-Dunkel-Adaption (Kontrast von dunkelstem zu hellstem Wert),
– Stroboskopeffekt (Anteile völliger Dunkelheit), (phantom array effect),
– Menschliche Wahrnehmungsschwelle abhängig von Amplituden und Flimmerfrequenzen,
– Einfach vermittelbarer Messwert zur Kennzeichnung auf der Produktverpackung.
– Betriebsarten (gedimmt, ungedimmt, 12V~).
Zur Ermittlung des CFD ist zunächst eine Messung mittels Hardware erforderlich, dann folgt die Berechnung.
Die Kategorisierung für den Allgemeingebrauch erfolgt nach dem Ampelsystem (z. B. zur Kennzeichnung auf der Produktverpackung).
Messwerterfassung per Hardware
Für den Aufbau der Hardware gilt folgende Empfehlung:
– Verwendung einer V(λ)-Fotodiode zur Unterdrückung des infraroten Lichtanteils.
(so wird bei Glühlampenlicht nur der kleinere relevante sichtbare Lichtanteil vermessen).
– Transimpedanzverstärker mit variabler Transimpedanz von 10 kΩ bis 1 MΩ zur
optimalen Nutzung des vertikalen Messbereichs.
– Antialiasing-Tiefpass-Filter zur Einhaltung des Abtasttheorems, abhängig von der Abtastfrequenz.
– ADW-Abtastfrequenz: min. 20 kHz (zur ausreichenden Darstellung und Verrechnung).
– ADW-Abtastamplitude von 12 Bit für eine ausreichend vertikale Auflösung.
- Einstellung des variablen Transimpedanzverstärkers so, dass die Spitzenspannung ca. 1 V beträgt.
– ADW-Erfassung von mindestens 1 Sekunde Dauer.
– Daraus resultieren mindestens 20000 Einzelwerte pro Messung.
Der Lichtpeter entwickelt und betreibt ein Laborsystem, welches das Signal mit 500 kHz abtastet, wodurch auch höchste Flimmerfrequenzen erfasst werden. Durch die Messdauer von einer Sekunde wird
der Frequenzbereich mit 1 Hz aufgelöst.
Berechnung per Software
Der CFD (frequenzbasierter CFDFB) ist mit einem leistungsfähigen Rechner in mehreren Schritten berechenbar.
Die Berechnung ist hier prinzipiell dargestellt. Praktisch (im Messsystem) sind noch weitere Faktoren
wie z. B. das Signalrauschen und Quantisierungsfehler zu berücksichtigen.
Auf die einzelnen Messwerte wird eine Diskrete Fourier-Transformation angewendet zu:
Das Ergebnis Xk ist die Frequenzbereichsdarstellung der N Abtastwerte bezeichnet als xn. Die komplexe Darstellung von Xk wird in Amplitudenwerte Ak umgerechnet zu:
Diese werden bezogen auf den Gleichanteil normiert zu:
Die frequenzabhängige Lichtflimmer-Wahrnehmbarkeitsschwelle für den Menschen in Abhängigkeit von der Frequenz ist aus einer Vielzahl von Studien gewonnen. Der für den CFD spezifische Verlauf berücksichtigt neben dem bewusst wahrnehmbaren Flimmern auch das unbewusst im peripheren Sichtbereich erkennbare Flimmern, den Stroboskopeffekt, und den Perlschnureffekt (phantom array effect) der unter Stroboskop-Bedingungen ein Objekt in der Relativbewegung zum Beobachter als mehrere Objekte der gleichen Art wahrnehmbar werden lässt.
Die frequenzabhängige Lichtflimmer-Wahrnehmbarkeitsschwelle entspricht etwa dieser Grafik:
Die normierten Werte werden auf Prozent skaliert und mit MW gewichtet:
Aus den bewerteten Anteilen in Prozent wird dann die pythagoreische Summe gebildet, das Ergebnis ist der frequenzbasierte CFDFB, der im allgemeinen mit CFD kommuniziert wird.
Betriebsarten:
Dimmbare Leuchtmittel
Für dimmbare Leuchtmittel wird neben der Ermittlung des CFD ohne Dimmbetrieb auch der Wert im Betrieb mit Dimmer ermittelt. Dieser wird so eingestellt, dass die mittlere Lichtemission 25% der Emission ohne Dimmer beträgt (ein kritisch angenommener Wert). Hierbei wird darauf geachtet, dass es sich bei dem Dimmer um einen Universaldimmer oder Phasenanschnittsdimmer handelt (weil dieser klassischerweise bei Retrofit-Applikationen verwendet wird). Wichtig ist, dass er korrekt mit seiner Mindestlast betrieben wird dadurch, dass ein entsprechender Leistungswiderstand (60 W empfohlen) parallel zum Prüfling geschaltet wird, was auch eine normale Glühlampe sein kann. Der gedimmte Betrieb stellt höhere Ansprüche an das Leuchtmittel (am Leuchtmittel liegt eine kleinere Spannung für eine kürzere Zeit an), weswegen zu erwarten ist, dass der CFD im Dimmbetrieb höher liegt.
Der höhere (schlechtere) von beiden CFD-Werten bildet dann den Endwert.
CFD = max(CFDnorm, CFDdimm)
12V-Leuchtmittel
Für Prüflinge, die bei 12V arbeiten und für Wechselspannung spezifiziert sind (angelehnt an die klassische Verwendung der 12V-Halogenstrahler), wird ein entsprechender Eisen- oder Ringkern-Trafo verwendet, um einen möglichst verzerrungsfreien sinusförmigen Verlauf der Versorgungsspannung zu erhalten. Ein Schaltnetzteil mit Oberwellenanteil kommt für die Verwendung im Test nicht in Frage, weil die Einflüsse des Schaltnetzteils das Messergebnis unüberschaubar verfälscht.
Literaturangaben / Quellennachweise, die zur Entwicklung des CFD beigetragen haben:
[1]: Cree, Inc.: 2014: Flicker happens. But does it have to?
http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED Components and Modules/XLamp/White
Papers/Flicker.pdf
[2]: Lighting Research Center; Rensselaer Polytechnic Institute; May 2012: ASSIST recommends: Flicker Parameters for Reducing Stroboscopic Effects from Solid-state Lighting Systems, Volume 11,
Issue 1
http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/pdf/AR-Flicker.pdf
[3]: Lighting Research Center; Rensselaer Polytechnic Institute; Oct 2014: ASSIST recommends: Application Considerations Related to stroboscopic Effects from Light Source Flicker, Volume 11,
Issue 2
http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/pdf/AR-FlickerApps.pdf
[4]: Lighting Research Center; Rensselaer Polytechnic Institute; Jan 2014: ASSIST: Recommended metric for assessing the direct perception of light source flicker, Volume 11, Issue 3
http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/pdf/AR-FlickerMetric.pdf
[5]: IEEE Standards Association (IEEE-SA); 2010: Summary of Scope IEEE PAR1789
http://grouper.ieee.org/groups/1789/summary_par1789.pdf
[6]: IEEE Standards Association (IEEE-SA); 26.02.2010: A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED
Lighting May Introduce Flicker
http://grouper.ieee.org/groups/1789/FlickerTR1_2_26_10.pdf
[7]: Once Inc., Plymouth; 07.07.2015: Minnesota Based ONCE intends to Challenge IEEE 1789 Standard and the Process of Standard Development
http://www.prnewswire.com/news-releases/minnesota-based-once-intends-to-challenge-ieee-1789-standard-and-the-process-of-standard-development-300109469.html
[8]: Solid State Lighting Design; 13.07.2015: The IEEE 1789 Standard on Light Flicker a Bit Perplexing
http://www.solidstatelightingdesign.com/the-ieee-1789-standard-imposes-a-ridiculeously-conservative-standard-for-light-flicker/
[9]: Michael Poplawski & Naomi J. Miller; 2013: Flicker in Solid-State Lighting: Measurement Techniques, and Proposed Reporting and Application Criteria
http://www.lichtundgesundheit.de/Lichtundgesundheit/Blog/Eintrage/2013/5/31_Auf_wie_vielen_Augen_darf_man_blind_sein_files/Poplawski
and Miller CIE Flicker Paper 2013 shorter-1.pdf
[10]: Naomi J. Miller, Brad Lehman; May 2015: FLICKER: Understanding the New IEEE Recommended Practice
http://energy.gov/sites/prod/files/2015/05/f22/miller+lehman_flicker_lightfair2015.pdf
CFD-Kalkulations-Software
