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Eine seit 2013 in Deutschland gültige Tierschutz-Nutztierhaltungsverordnung fordert in Geflügelställen eine flimmerfreie künstliche Beleuchtung, die dem tierartspezifischen Wahrnehmungsvermögen entsprechen muss. In dieser Novelle wird jedoch auf eine exaktere Definition bzw. auf Angabe von Grenzwerten verzichtet. Diese fehlende Erläuterung der lichttechnischen Flimmerqualität ermöglicht in der Stallpraxis leider einen weiten Auslegungsspielraum bei der Beurteilung künstlicher Beleuchtungssysteme. Für die Beteiligten stellt sich daher die Frage: „Was sind überhaupt flimmerfreie und zugleich für die Geflügelzucht akzeptable Lampen?“ Nachfolgend soll die qualitative Bewertung des Lichtflackerns/-flimmerns (engl. photometric flicker) vereinfacht dargelegt werden.


Definition Lichtflackern/Lichtflimmern

Flackern bzw. Flimmern ist die schnelle Änderung der Lichtintensität einer Leuchtquelle. 

Diese schnelle Änderung lässt sich auf drei unterschiedliche Effekte zurückführen:

  • Leuchtdichte-Flimmern entsteht durch wechselnde Helligkeitsgrade, die durch ein lichterzeugendes Bauteil (Glühlampe, Fluoreszenzröhre oder LED-Halbleiter) bei Betrieb mit Wechselspannung verursacht werden.
  • Chromatisches Flimmern entsteht durch wechselnde bzw. schwankende Lichtfarben.
  • Stroboskop-Effekt ("Disco-Blitzlicht") entsteht durch sequenzielle Lichtblitze.

LED-Halbleiter sind üblicherweise monochromatische Lichtquellen, d. h. sie senden Licht nur in eingeschränkten Wellenlängenbereichen aus. Daher ist das chromatische Flimmern bei LED-Leuchtmitteln eher von untergeordneter Bedeutung. Das Leuchtdichte-Flimmern und der Stroboskop-Effekt können allerdings je nach Qualität der verwendeten Elektronik-Treiberschaltung einzeln oder auch in Kombination auftreten.


Physiologische Wahrnehmung

Um die Qualität eines Leuchtmittels bewerten zu können, müssen zunächst physiologische Eigenschaften von Mensch oder Tier berücksichtigt werden. Ein wichtiger Faktor für die Wahrnehmung des Flimmerns ist die Flimmerverschmelzungsfrequenz (engl. flicker fusion frequency). Dieser Frequenzwert (in Hz bzw. fps) lässt erkennen, ab wann Einzelbilder ohne Unterbrechungen wahrgenommen werden. Dieses ist von sechs Kenngrößen abhängig:

  • Frequenz der Lichtmodulation
  • Amplitude der Lichtmodulation
  • durchschnittliche Lichtintensität
  • Wellenlänge
  • Position des auftreffenden Lichts im Auge
  • Hell-/Dunkelanpassung des Auges

In einem abgedunkelten Kinosaal stellen bereits 18 Bilder pro Sekunde (= 18 Hz/fps) einen flimmerfreien Filmgenuss dar. Nicht wenige Menschen können jedoch Frequenzen bis zu 85 Hz bewusst registrieren. Unter speziellen Konstellationen (z. B. bei PC-Monitoren) nehmen Menschen unterbewusst sogar Lichtflackerfrequenzen bis maximal 500 Hz wahr.

Tierwissenschaftler haben entdeckt, dass Hühner in der Lage sind, Lichtflackern bis zu einer Grenze von circa 140 Hz aktiv zu erkennen [3]. Damit kann das Huhn gegenüber dem Menschen eine fast doppelte Bildzahl pro Sekunde einzeln auflösen bzw. registrieren.
Die Flimmerverschmelzungsfrequenz ist aber auch von der Helligkeit des Umge-bungslichtes stark beeinflusst. So sind die vorgenannten Maximalfrequenzen beim Menschen nur bei höheren Leucht-stärken ab ca. 200 lx gültig.

Lichtflimmern setzt den menschlichen und tierischen Körper unter Stress. Der Körper des Betrachters versucht sich jeweils an das Lichtflackern anzupassen. Diese schnellen Anpassungen belasten die Muskeln und das Gehirn erheblich. Dieser Prozess erfolgt auch, wenn das Flackern gar nicht aktiv vom Betrachter wahrgenommen wird. Beim Menschen können Kopfschmerzen, Müdigkeit, Er-schöpfung, Migräne und schlimmstenfalls sogar epileptische Anfälle die Folge sein.
Stresssymptome beim Geflügel sind u.a. verringerte Legeleistung, Picken und geringeres Wachstum. Gerade im Hinblick auf das angestrebte Verbot des Schnabelkürzens bei Geflügel ist daher Lichtflackerstress ein Thema von sehr wichtiger Bedeutung.


Flackern messen – aber wie?

flicker graph

Für die Berechnung des photometrischen Flimmerns, das nicht mit dem Spannungs- oder Stromflickern in elektrischen Schaltungen zu verwechseln ist, haben sich drei relevante Messmethoden herausgestellt. Allen gemein ist die Auswertung des abgestrahlten Lichtes, welcher Zeitlicher Verlauf mit einem Sinus ähnlichen 50 Hz Signal in folgender Grafik dargestellt ist. 

  

 

1. Prozent Flicker

flicker percent

Der Prozent-Flicker ist ein vereinfachtes und häufig verwendetes Verfahren. In einfachen Worten ausgedrückt gibt er das relative Lichtschwankungsverhältnis der minimal zur maximal gezeigten Leuchtstärke an.

Das Resultat dieser Formel ist ein Prozentwert. Je niedriger dieser ist, desto besser.
WICHTIG: Bei dieser Berechnung findet der eigentliche Lichtverlauf keine Be-rücksichtigung.

 

2. Modulations Index

flicker modulationindex

Ein alternatives Messverfahren ist die Ermittlung der Modulationstiefe. Der sog. Modulationsindex macht eine Aussage darüber, wie stark das Lichtstromsignal um einen Signaldurchschnitt schwankt. Je größer der Wert für die Modulationstiefe ist, desto größer ist die Abweichung vom Durchschnittswert. Kleine Werte indizieren eine geringe Schwingung, was eine gute Qualität der Leuchtmittel bezeichnet. Auch bei dieser Methode wird der eigentliche Lichtverlauf nicht umfassend berücksichtigt.

 

3. Flicker Index

Ein komplexeres Verfahren ist die Berechnung des Flicker-Index, welches die beste Vergleichbarkeit von Messergebnissen ermöglicht. Bei dieser Methode wird der gesamte ausgesendete Lichtstrom der Lichtquelle zur Berechnung herangezogen und nicht nur die Minimal- und Maximalwerte. Durch die Berechnung der Fläche unter dem Kurvenverlauf werden die Gesamtfläche, der Durchschnitt und die Fläche über dem Durchschnitt ermittelt. Der Flicker-Index setzt den Lichtstrom, der über dem Durchschnitt liegt, ins Verhältnis zum Gesamtlichtstrom.

Das Rechenergebnis liegt hierbei jeweils im Wertebereich von 0 bis 1 (0–100 %).
Dabei gilt: Je niedriger, desto besser!


An dieser Stelle ist anzumerken, dass das Flicker-Index-Verfahren zwar besser vergleichbare Resultate liefert, aber nicht die periodische Lichtwechsel-Basisfrequenz in die Berechnung einbezieht. Konkret bedeutet dies: Weisen zwei Leuchtmittel den gleichen Flicker-Index-Wert auf, ist das Leuchtmittel mit der höheren Lichtwechsel-Basisfrequenz zu präferieren.

 


Bewertung eines Leuchtmittels

Um ein Leuchtmittel qualitativ bewerten zu können, muss auch der verfolgte Einsatzzweck berücksichtigt werden.

Flimmerfreies Licht wird immer dort empfohlen, wo sich der Betrachter über längere Zeit aufhält und das Licht auch den größten visuellen Erfassungsbereich ausfüllt. Hierzu zählt die Beleuchtung in Wohnräumen, Schlafzimmern, Arbeitsräumen usw.. Vor allem Büroarbeitsplatzleuchten sollten immer flimmer- bzw. flackerfrei sein!

Um eine Übersicht zu den Flicker Index Werten zu erhalten, sind in dieser Tabelle einige Leuchtmittel exemplarisch aufgeführt.

 

Flicker-Index

(0–1 = 0–100%)

LED-Sparlampe 6W-E27 „Low-Cost-Produkt; auf 10 % Helligkeit gedimmt“

0,64

LED-Leuchtröhre 18W (T8-Retrofit-Ersatz) „nicht gedimmt“

0,16

Leuchtstoffröhre 36W „VVG-Zündspulenbetrieb; nicht gedimmt“

0,12

LED-Sparlampe 9,5W-E27 „Handels-Markenprodukt; auf 10% gedimmt“

0,10

LED-Wannenleuchte 15W „ilox-HWDKS-LED; auf 10% Helligkeit gedimmt“

0,05

Glühlampe 230Vac „ gedimmt mit TRIAC-Elektronikdimmer“

0,03

LED-Sparlampe 7W-E27 „ilox XENA“; auf 10% Helligkeit gedimmt“

0,02

Besondere Beachtung findet flackerfreies Licht auch bei der Beleuchtung von beweglichen Maschinen im industriellen Umfeld. Dort müssen stroboskopische Effekte unbedingt vermieden werden, damit Bewegungen von Maschinenteilen korrekt wahrgenommen werden können.

Als Faustformel für akzeptables Lichtflimmern gilt: flicker fi thumbrule

Elektrische Leuchten werden üblicherweise mit einer Spannungsnetzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz betrieben, woraus eine verdoppelte Lichtwechsel-Basisfrequenz von 100 bzw. 120 Hz resultiert. Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass Lampen mit einer 100-Hz-Lichtwechselfrequenz bei Menschen einen Flicker-Index-Wert von maximal 0,1 (10 %) aufzeigen dürfen.
Stellt man diesen für den Menschen wissenschaftlich ermittelten Grenzwert der 1,65-fach höheren Lichtfrequenz-Perzeption von Hühnern gegenüber, ergibt sich für dieses Geflügel ein zulässiger Grenzwert von 0,06 (= 6 % max.).  Das bedeutet für die künstliche Beleuchtung in der Geflügelzucht: Lampen mit einer periodischen Lichtwechsel-Basisfrequenz von 100 bzw. 120 Hz sollten keinen höheren Flicker-Index-Wert als 0,06 aufweisen!


Aus technischer Sicht ist hierbei folgendes für die Praxis wichtig zu beachten:

  • Wird in Geflügelställen die Lampenhelligkeit mittels elektronischer Phasenschnitt-Dimmersysteme (= TRIAC oder MOSFET-Dimmer) oder mittels elektronischer Spannungs-Modulation („PWM-Dimmer“) gesteuert, ist dieser Grenzwert von 0,06 immer auch für jede Helligkeitsstufe einzuhalten bzw. nachzuweisen!
  • Werden LED-Bauteile direkt mit einer perfekt geglätteten Gleichspannung (engl.: DC-voltage without significant ripple-noise) betrieben, zeigen diese LED-Lampen auch einen für die Praxis vernachlässigbaren Flickerwert und gelten somit per se als flackerfrei.
  • Grundsätzlich können auch alle Lampen mit einer periodischen Lichtwechsel-Basisfrequenz oberhalb 1000 Hertz als flackerfrei bezeichnet werden. Hierzu zählen zum Beispiel Fluoreszenz-Leuchtstoffröhren, welche mit modernen Hochfrequenz-Elektronikzündgeräten (= EVG´s mit 30-120kHz) betrieben werden.

flicker fi threshold

Das periodische Lichtflimmern ist in der Praxis nicht zu verwechseln mit einem kurzzeitigen Helligkeitswechsel der Leuchten, verursacht durch gelegentlich auftretende Spannungsschwankungen im Stromleitungsnetz (z. B. im Einschaltmoment großer elektrischer Verbraucher).

Auch das sog. Scheibenwandern (engl.: dark-ring-effect) innerhalb von kalten Leuchtstoffröhren bzw. Leuchtstoffröhren mit unangepassten EVG-Treibern ist eher nur ein optisches Makel im Auge des Betrachters.

Die folgende Grafik zeigt auf übersichtliche Art und Weise welche Flicker Index Werte bei welchen Frequenzen erlaubt und welche nicht erlaubt sind.

 


Fazit

Werden Fluoreszenz-Leuchtstoffröhren oder auch LED-Lampen mit einer AC-Wechselspannung oder mit einer verzerrten DC-Gleichspannung (z. B. PWM-Dimming) betrieben, resultieren hieraus üblicherweise mehr oder minder wahrnehmbare Lichtflimmereffekte.

Die Flimmer-Qualität von LED- oder Fluoreszenz-Lampen ist im hohem Maße abhängig von der schaltungstechnischen Qualität der zugehörigen Treiber-Elektronik und als weiteres auch von dem gewählten Helligkeits-Dimmverfahren.

Light Flicker Meter

Hohe Flimmerwerte zeigen sich häufig bei Billig-Importlampen im Low-Cost-Verkaufsbereich und/oder auch durch Lampenbetrieb mit ungeeigneten Dimmer- bzw. Steuergeräten.

Vor allem auch im Hinblick auf zukünftig erhöhte Anforderungen bei der Geflügelhaltung sollten elektrische Lampensysteme (= Betriebsspannung 110-240V-AC) einen Flicker-Index-Wert von 0,06 (= 6%) nicht überschreiten.

Die Einhaltung dieses Grenzwertes bzw. der photometrischen Flimmer- bzw. Flackerfreiheit ist von dem jeweiligen Lampenhersteller bzw. Systemanbieter für den gesamten Helligkeits-Dimmbereich der Geflügelstall-Beleuchtung zu belegen bzw. zu bestätigen!

 

 


 Mit Inhalten aus:

P. Lewis and T. Morris, Poultry Lighting the theory and practice, Northcot 2006

Illuminating Engineering Society of North America, IESNA Lighting Handbook, 9th edition, North America, 2000.

K. Steigerwald und R. Korbel, „Sehleistung des Vogelauges – Perspektiven und Konsequenzen für die Haltung von Zier- und Wirtschaftgeflügel unter Kunstlichtbedingungen“, Ludwig-Maximilians-Universität München, München, 2006.

Niedersächsisches Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit Laves, „Anforderungen an Kunstlicht in Geflügel haltenden Betrieben“, Niedersachsen, 2014.

M. Poplawski and N. J. Miller, "http://www.lichtundgesundheit.de/," 28 8 2014. [Online]. Available: http://goo.gl/4jueWt. [Accessed 28 8 2014].

Cree, Inc., "http://www.cree.com," 28 8 2014. [Online]. Available: http://goo.gl/uHbJrH. [Accessed 24 8 2014].

Everfine Corp., "http://www.everfine.net," 15 8 2014. [Online]. Available: http://goo.gl/AOWiKz. [Accessed 28 8 2014].

M. Poplawski and N. J. Miller, "http://www.e3tnw.org/," 28 8 2014. [Online]. Available: http://goo.gl/QRF7z2. [Accessed 28 8 2014].J. J

J.Jarvis, N. Tayloer et al. , Measuring and modelling the photopic flicker sensitivity of the chicken (Gallus g. domesticus) [Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042698901002681