Gevolgen van flikkering en stroboscopisch effect

Een groot voordeel van ledverlichting is de energiezuinigheid, in vergelijking met conventionele verlichting zoals gloeilamp, halogeen of tl. Bij de conventionele verlichting zijn we goed op de hoogte over hun eigenschappen en de bijhorende effecten op de mens. Maar hoe zit dat met ledverlichting?

Leds reageren sneller op stroomveranderingen

De eigenschap van een led, meer bepaald van de sturing, leidt ertoe dat ledverlichting veel sneller reageert op directe stroomveranderingen. Dat heeft op zijn beurt gevolgen voor de reactiviteit van de lichtoutput. Snelle lichtvariaties kunnen namelijk fysieke bijwerkingen bij de mens veroorzaken, wat mogelijk een invloed kan hebben op de gezondheid.

Deze schommelingen zijn de afgelopen jaren een pak frequenter geworden. De oorzaak daarvan vinden we onder meer bij hoogfrequente elektronica en hoge schommelingen van de belasting van het stroomnet.

Kwalitatieve schakelelektronica kan deze belastingschommelingen opvangen en filteren, maar dat is zeker niet altijd het geval. Soms is net de slechte kwaliteit van het voorschakelapparaat de boosdoener. Bijvoorbeeld, als de gelijkrichting van de netspanning niet goed genoeg is, kan dit leiden tot het optreden van zogeheten Temporal Light Artefacts (TLA).

Temportal Light Artefacts

TLA's zijn vervelende, korte (nanoseconden) verschijnselen die een negatieve impact hebben op de beeldvorming in het oog. Die impact kan bovendien verder gaan dan louter het visuele aspect, want op termijn kan ook hoofdpijn of zelfs epilepsie optreden. We onderscheiden drie TLA’s: flikkering, stroboscopische effecten en het fantoomeffect.

Flikkering

Flikkering wordt officieel omschreven als ‘een waarneming van visuele instabiliteit, veroorzaakt door een lichtprikkel waarvan de luminantie of spectrale verdeling fluctueert met de tijd, voor een statische waarnemer in een statische omgeving'. 

Flikkering bevindt zich karakteristiek in het frequentiegebied tussen 0,3 en 80 Hz en is direct zichtbaar voor het menselijk oog. Flikkering kan ook zowel periodiek als niet-periodiek zijn.

Stroboscopisch effect

Het stroboscopisch effect laat zich omschrijven als een verandering in bewegingswaarneming veroorzaakt door een lichtprikkel waarvan de luminantie of spectrale verdeling fluctueert met de tijd, voor een statische waarnemer in een niet-statische omgeving. Dit effect treedt op in het spectrum vanaf 80 Hz tot 2.000 Hz.

Het stroboscopisch effect kan hoofdpijn, concentratieproblemen en irritatie veroorzaken

Bezoekers van dancings of muziekfestivals kennen dit fenomeen goed. Het is herkenbaar als een serie van stilstaande beelden achter elkaar van een beweging. Die beperkte zichtbaarheid – zeker overdag – maakt het tot een vervelende klant die ongemerkt leidt tot hoofpijn, concentratieproblemen en irritatie. De oorzaak ligt in vele gevallen in de kwaliteit van de leddriver of in een verkeerde combinatie van lichtbron en driver.

Fantoomeffect

Het fantoomeffect, tot slot, is een verandering in de waargenomen vorm of ruimtelijke posities van objecten, veroorzaakt door een lichtstimulans, waarvan de luminantie of spectrale verdeling fluctueert in de tijd, voor een niet-statische waarnemer in een statische omgeving.

Dit effect is een pak minder bekend maar wordt voornamelijk waargenomen in een omgeving met hoog contrast tussen een kleine lichtbron en zijn achtergrond. Een goed voorbeeld is het kleine achterlicht van een wagen tegen een nachtelijke achtergrond, waarbij het fantoomeffect erin bestaat dat er een reeks kopieën van het achterlicht gegenereerd worden.

Nieuwe meetmethodes duiden impact

De veranderende luminantie of spectrale verdeling die fluctueert in de tijd kan dus vervelende en zeer nadelige gevolgen hebben voor de waarnemer.

In de loop van de tijd zijn er verschillende methodes gebruikt om het stroboscopisch effect te beschrijven en te kwantificeren. Niet elke methode was even bruikbaar of beschreef duidelijk wat het effect was op de zichtbaarheid of invloed op de mens zelf. Met de invoering van de – algemeen aanvaarde methode – Stroboscopic Visibility Measure (SVM) is hierin verandering gekomen.

Voor flicker geven sommige leveranciers van verlichtingsapparatuur metingen op zoals het flickerpercentage of de flickerindex. Beide hebben evenwel hun beperkingen, want ze houden geen rekening met de impact van de frequentie.

Voor de flikkering wordt daarom een andere methode toegepast: 'Short Term Perceptibility for Light Modulation' (PstLM). 

Fabrikant moet waarden meten en vermelden

Het zou ons in het kader van dit artikel misschien wat te ver leiden om deze methodes tot op laboratoriumniveau uit de doeken te doen, maar weet dat deze meting een opdracht is voor de fabrikant, niet voor de plaatser. Zij moeten deze waardes meten en meedelen in hun technische info, maar u kan ze indien gewenst wel nameten met een eigen toestel.

Wat wel belangrijk is, is de correcte interpretatie van deze cijfers. Toestellen moeten volgens de Ecodesign-regels voldoen aan de volgende maximumnormen: voor flikkering moet PstLM ≤ 1, en stroboscopisch effect SVM ≤ 0,9 (vanaf 1/9/2024 ≤ 0,4). Voor outdoor, industriële applicaties en toepassingen met een CRI ≤ 80 (Colour Rendering Index) gelden er evenwel uitzonderingen op SVM.

HOE WERKT LED?
Een led (voluit ‘light emitting diode’) is een halfgeleider. Net zoals andere diodetypes bestaat de led uit een chip van halfgeleidermateriaal gedoteerd met onzuiverheden om een positieve/negatieve junctie te creëren. Net als in andere diodes vloeit de stroom makkelijk van de p-kant (anode) naar de n-kant (kathode), maar niet omgekeerd.

Dragers van elektrische lading (elektron) en tussenliggende 'gaten' kruisen elkaar met verschillende voltages (U). Als een elektron een gat tegenkomt, dan ontstaat er een laag energieniveau en komt er energie vrij in de vorm van een foton (licht). 

De golflengte van het uitgestraalde licht en dus de kleur word bepaald door de gebruikte materialen van de p/n-junctie. In silicium of germanium diodes resulteren deze in een niet-stralende overgang, daar deze geen optische uitstoot produceert. De gebruikte materialen voor de ledverlichting brengen in de p/n-junctie infrarood, zichtbaar of ultraviolet licht teweeg.

De eerste leds ooit – op basis van galliumarsenide – straalden infrarood en rood licht uit. Ontwikkelingen in de materiaalkunde hebben geresulteerd in exemplaren met steeds kortere golflengten, en daardoor in het uitstralen van zichtbaar licht in een verscheidenheid aan kleuren.