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Die dunkle Seite des Lichts 2019

Der Cyberlux-Beitrag vom 2009 "Lichtverschmutzung - Die dunkle Seite des Lichts" hat viele Nachfolger gefunden. Hier einige Videos mit Bewegtbildern. Wer lieber liest, kann sich hier weiter informieren. cyberlux oder downloaden.

Die dunkle Seite des Lichts 2013

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Geschwindigkeit ist (keine) Hexerei - Manchmal teuflisches Zeug

Man stelle sich vor: Man kommt in die Warte eines Kernkraftwerks und alle Anzeigen stehen auf Rot. Das sind nicht 5, nicht 50, sondern auch mal über 10.000. Wenn gefühlt alle aufleuchten, im Fachjargon Weihnachtsbaum, steht nicht ein gesegneter Tag bevor, sondern möglicherweise eine sich anbahnende Katastrophe. Und man durfte nicht handeln, ehe der Fehler von einem Drucker bestätigt wurde. Denn Computer galten als unzuverlässig, mit ihnen ihre Anzeigen auf dem Bildschirm.

Als ich den Alltag in so einem Raum betrachtete, fand ich die Zahl der Alarme einfach zu hoch. Der Betriebsleiter fragte mich schnippisch, ob ich seine Anlage kennen würde. Ich meinte, nein, aber ich würde die Leute kennen, die solche Anlagen konzipieren. Die würden keine Technik bauen, die minütlich Alarme spuckt. Das gab dem Mann zu denken, und er ließ die Sache untersuchen. Paar Wochen später hatte sich die Zahl der Alarme mehr als halbiert. Wie? Die Ursache war eine Sicherheitsvorkehrung: jeder wichtige Wert wird von drei unabhängigen Sensoren erfasst und gemessen. Wenn diese etwas Unterschiedliches anzeigen, gibt es einen Alarm. So weit, so gut. Aber wieso gab es mehr als doppelt so viele als nötig? Dafür sorgte eine Elektronik, die eine ältere abgelöst hatte. Sie war viel schneller, wie in der Elektronik üblich. Für die vorliegende Aufgabe war sie allerdings zu schnell. Wenn man in einem großen Kessel den Wasserstand misst, wird man nie den gleichen Wert an drei Stellen messen, wenn man in Nanosekunden und Millimeter genau misst. Das Wasser ist nie so ruhig. Anders, wenn man in Sekunden misst oder noch etwas langsamer. So konnte man die angeblichen Fehler halbieren. (Wie man den Rest noch weiter reduzieren konnte, erzähl ich ein andermal.)

In der Lichttechnik haben wir mit einem ähnlich gelagerten Fall zu kämpfen. Hier muss man aber etwas anderes tun, als die Elektronik langsamer stellen. Es handelt sich um die Fluktuation der Lichterzeugung von LED. Während sich Glühlampen nicht allzu schnell um die Wechselspannung scheren, und Leuchtstofflampen zwar viel schneller, aber immer noch langsam genug, reagieren, sind LED verdammt schnelle Elemente. Man kann sie bei Datenraten von bis zu 100 Mbit/s einsetzen. Ihr Licht steigt praktisch trägheitslos an und fällt leider ebenso schnell ab. Und geht dabei auch durch Null, was bei konventionellen Leuchtmitteln nicht möglich ist.

Die Sache ist problematisch in der KfZ-Beleuchtung (hier), aber insbesondere für Leute, die harte Arbeit am Bildschirm verrichten. Ihre Regelung vom Bildschirm (Helligkeit), gesetzlich vorgeschrieben (ArbStättV), funktioniert leider meist wie unten beschrieben. Übrigens, auch für die Beleuchtung ist die Qualität gesetzlich vorgeschrieben.

Die einfachste Helligkeitsregelung, deswegen sehr beliebt bei Herstellern, funktioniert mit An- und Ausschalten der Diode. Die Länge des eingeschalteten Signals zu der des ausgeschalteten ergibt dann die Helligkeit. Daher der Name Pulsweitenmodulation (PWM).

Steuerungen, die das Licht dimmen, müssen schnell genug sein, damit das Auge die dunkle Phase nicht merkt. Die Frage ist, wie schnell. Das hängt davon ab, was man vermeiden will. Flimmern, Flackern, oder … Üblicherweise ging man früher davon aus, dass eine Frequenz oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz (FVF) hinreiche. In der Literatur konnte man dafür Werte von 20 Hz bis etwa 50 Hz lesen. Das hängt von vielen Faktoren ab, insbesondere von der Helligkeit und Größe des Objekts. Das Bild rechts zeigt in etwa die Grenze für normale Bildschirme, die bei 71 Hz liegt. Gesunde Menschen mittleren Alters, die unbewegt auf den Bildschirm gucken, mögen damit zufrieden sein. Damit darf sich aber kein Arbeitgeber zufrieden geben. Denn nicht wenige Mitarbeiter setzt man der Gefahr aus, Kopfschmerzen oder Migräne zu bekommen.

(3) Die Helligkeit der Bildschirmanzeige und der Kontrast der Text- und Grafikdarstellungen auf dem Bildschirm müssen von den Beschäftigten einfach eingestellt werden können.

(6) Die Beleuchtungsanlagen sind so auszuwählen und anzuordnen, dass dadurch die Sicherheit und die Gesundheit der Beschäftigten nicht gefährdet werden.

Leider berücksichtigt das Bild zwei Dinge nicht: Alter des Beobachters und Sehaufgabe. Bei jüngeren Menschen kann der Wert bei über 100 Hz liegen.  Und diese sind empfindlicher Gegen Kopfschmerzen. Aber das Entscheidende ist die Sehaufgabe. Guckt ein Mensch stur auf eine Stelle auf dem Bildschirm, merkt er möglicherweise kein Problem. Bewegt sich sein Auge häufig, kommt es zu einem "Stroboskopeffekt". Den kennt man von alten Monumentalschinken mit römischen Kampfwagen, deren Räder sich erst langsam drehen, dann stehen bleiben, dann aber auch noch rückwärts drehen. Will man den Effekt vermeiden, muss sich das Licht sputen, bis zu 1.000 Hz können erforderlich sein. "Für eine wahrnehmungsgerechte Beleuchtung, die mittels PWM gedimmt wird, ist demnach eine PWM-Frequenz um 700 Hz erforderlich." heißt es in einer Arbeit, in der ein Doktorand der Sache auf den Grund gegangen ist.

Wer sich eingehend mit dem Problem befassen will, mag die gelinkte Doktorarbeit lesen (hier): Flimmereffekte von pulsweiten-modulierter LED-Beleuchtung von Dmitrij Polin.  Wer dazu keine Lust hat, sollte sich Monitore oder Beleuchtungen ohne PWM kaufen.

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Was sind 50.000 Stunden - zum Teufel noch mal?

Wie lange dauern 50.000 Stunden? Genau 5,70776255 Jahre. Warum haben Sie gefragt? Ach Ihre LED brennen schon nach ein paar Monaten durch? Dann liegt ein Sonderfall vor. Denn eigentlich sind 50.000 Stunden exakt 50.000 h. Aber es sieht anders aus, wenn es sich um die Lebensdauer von Leuchtmitteln handelt. Da muss man zwischen gefühlter und berechneter Lebensdauer unterscheiden. Und berechnet wird mal so mal so.

Den Unterschied erkläre ich am besten mit etwas, was jeder kennt, Dauer einer Minute. Die dauert seit Assyrien, so seit etwa 5.000 Jahren, exakt 60 Sekunden. Physikalisch gesehen. Gefühlt? Kommt darauf an, an welcher Seite einer geschlossenen Klotür Sie stehen.

Jeder Mensch hat so seine persönlichen Vorstellungen von Dingen, die physikalisch einwandfrei definiert sind. So wird ein Mensch auf der Autobahn in Sachsen auf die Uhr gucken, wenn er ein Schild sieht „nächste Toilette 35 km“. (Das Schild gibt es übrigens wirklich.) Kaum auszumalen, wenn einem so ein Schild vor der Semperoper begegnet. Da läuft man gleich zu Dingda (heißt im echten Leben anders) über und protestiert jeden Montag.

Der Mensch, dem die Lampe im Keller nach drei Monaten ausfällt, befindet sich in einem ähnlichen Gemütszustand, muss sich aber anhören, dass dies ganz normal ist. Denn … Denn statistisch gesehen fallen auch bei einer Lebensdauer von 100.000 h Lampen schon nach einer Minute aus. Ist zwar  sehr unwahrscheinlich, aber möglich. Bei wie vielen ausgefallenen Lampen der statistische Grenzwert überschritten ist, geht Sie überhaupt nichts an. Es ist ein Geheimnis der Lampenhersteller. So wie übrigens auch der Lampenlichtstrom. Dass der in Lampenkatalogen seit Jahrzehnten falsch angegeben wird, wird in der Lichttechnik als normal angesehen. Denn fast alle Lichttechniker sind (manchmal auch ehemalige) Mitarbeiter von Herstellerfirmen. Sie werden Ihnen erklären, die Sache mit den früh ausgefallenen Lampen sei sehr subjektiv. Also wie die Länge der Minute, wenn Sie vor der Tür stehen.

Wie es dazu kam, dass ein Wert von 50.000 h propagiert wurde, kann man nur erahnen. Das stelle ich mir so vor: In Schloss Premstätten in der Gemeinde Unterpremstätten vor 25 Jahren schreit der Ingenieur Tim Buktu auf. Er hat was entdeckt. Sein Chef eilt herbei

  • Hallo Tim, böse Geister entdeckt?
  • Nein, Chef. Schlimmer. Osram hat bei uns 1.000 LEDs bestellt …
  • Na und, vielleicht bauen sie neue Messgeräte?
  • Nee, die haben es nicht so mit messen. Die machen doch in Lampen!
  • Tim, jedes Kind weiß, dass aus LEDs kein Licht kommt. Nur ein bisschen. Das reicht als Betriebsanzeige, mehr aber nicht.
  • Nein, Chef. Ich habe neulich berechnet, dass man mit LED auch mehr Licht machen kann. Man muss nur mit höheren Betriebstemperaturen rechnen.
  • Das weiß ich doch. Wenn allerdings auch nur 10 lm/W rausspringen, löst sich die Platine in Luft auf. Wird zu heiß.
  • Eben! Ich habe aber berechnet, dass man dennoch eine Chance hat, wenn man die Diode mit einem großen Kühlkörper umgibt.
  • Na, denn. Dann muss der Kühlkörper größer sein als der Schlossgarten hier.
  • Nein, Chef, guck mal meine Berechnung an. Wenn man die Betriebstemperatur gerade so wählt, dass das Element nicht durchbrennt, hat man eine Lichtquelle. Soll ich die zulässigen Leistungen berechnen?
  • Mach mal! Wie lange soll dann so ein Element leben?
  • Ich denke, Osram kann ich was von 5.000 Stunden erzählen. Soll ich rechnen?
  • Nee, mach mal lieber 50.000. 5.000 hört sich nach besserer Glühlampe an. Die haben schon selber die Story mit den 10.000 h erfunden für die Kompaktleuchtstofflampe, damit man die der Politik als Energiesparlampe andrehen kann.
  • Ach, Chef, das ist zu riskant. Da fällt jedes zweite Lämpchen schon nach Stunden aus, wenn man kleine Fehler in der Fertigung macht.
  • Eben! Wir müssen die Folgen nicht tragen. Die Käufer können eh nix behaupten. Die Lampenhersteller erzählen denen seit Jahrzehnten dieselbe Mär, nachdem sie eine Formel für die Lebensdauer aufgestellt haben.
  • Ja schon, es gibt aber mindestens drei davon.
  • Aber alle drei stammen von Herstellern und niemand, der eine Lampe kauft, kann nachweisen, dass seine Lampe frühzeitig ausgegangen ist. Das ist der Sinn der Sache.
  • Aber Chef, die verlieren aber langsam ihren Ruf.
  • Ja, eben. Lass sie doch! Wenn wir Glück haben, können wir dann den Laden billig übernehmen.

Wer diese Story nicht glauben mag, kann sich auf die Suche nach der wahren Geschichte über die Bestimmung der Lebensdauer der LED machen. Er wird allerdings eine Weile suchen müssen. Alternativ kann er sich zu einem Kurs für 1.190 € plus MWSt plus Reise und Übernachtung anmelden, wo er sich tiefstgehend unterhalten, Pardon, informieren kann. Zum Aufbauen kann man noch einen weiteren Kurs für 890,-- € belegen. Natürlich auch plus MWSt und Kost und Logis. (beschrieben hier, derzeit wg. Corona leider kaum möglich).

Die Problematik von Lebensdauern von Leuchtmitteln wurde in diesem Blog häufig behandelt. Sie bildet eine Schlüsselgröße, weil auch die Bestimmung des Lichtstroms davon abhängt. Nirgendwo ist dies plastischer dargestellt als in der einstigen Bestimmung der Kennwerte von Projektionslampen. Während die Standard-Glühlampe 1.000 h lebte, ihr Cousin für Hotelzimmer aber 2.000 h, gab es Projektionslampen für nur 50 h, dafür war die Lichtausbeute sehr hoch. Das gab eine natürliche Begrenzung für Diavorträge aus dem letzten Urlaub und war daher ungemein nützlich. Wem hingegen schnell sterbende LEDs nützen sollen, ist nicht klar. Hersteller von miserabler Technik können damit nicht ihren eigenen Ruf ruinieren, da nicht vorhanden, sondern vorwiegend den der seriösen Anbieter.

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Jetzt auch noch  das - LED ist rassistisch veranlagt

Nachdem es um die schlimmen Eigenschaften der LED-Technologie ruhig geworden ist, sorgt jetzt eine Meldung aus Hamburg für Abhilfe und Furore: Der Passbilderautomat der Behörde weigert sich, Schwarze zu fotografieren. Ergebnis: Leute mit dunkler Haut können keinen Führerschein beantragen. Oder sie gehen zum Bahnhof und benutzen einen öffentlichen Automaten. Das sind die Geräte, die seit Jahrzehnten an vielen Stellen herumstehen, wo früher auch Normaluhren standen. Man geht rein, macht den Vorhang hinter sich zu, zieht eine ernsthafte Miene und … potzblitz! Nu hat man ein scheußliches Abbild von seinem Gesicht. Vermutlich wollte sich die Behörde den Vorwurf ersparen, ihre Maschine mache häßliche Bilder von schwarzen Menschen. So macht die eben gar keine.

Der Hersteller der Maschine weist den Vorwurf des Rassismus ihres Produkts weit von sich. Und beschuldigt eine Technik, die sich nicht wehren kann. Es soll ein Fehler vorliegen, den die LED-Beleuchtung verursache. Ersetzt man die LED-Beleuchtung durch eine anständige, also durch Leuchtstofflampen, sind alle Menschen wieder gleich. Und die Behörde darf auch Afrikanern einen Führerschein ausstellen. Vielleicht machen wir es noch weniger rassistisch und nennen die Pappe Fahrerlaubnis. Na, ja, aus Pappe ist die auch nicht mehr.

Der glücklichen Lösung des Problems mit der rassistisch veranlagten Beleuchtungstechnologie steht nur noch die EU-Kommission im Wege. Die verbietet nämlich Leuchtstofflampen, weil sie mit der Energie saumäßig umgehen sollen. Vielleicht findet sich eine Lösung dahingehend, dass man die LED anlernt, wie sie mit ungewöhnlichen Situationen umgeht. Dann muss die Bundesdruckerei nicht mehr fürchten, dass afrikanische Staaten ihre Geldscheine in Russland drucken lassen.

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Probleme, die wir ohne LED nicht hatten - SVM muss besser werden, aber langsam

"Der SVM-Wert ist ein Kennwert für hochfrequentes Flimmern. Ein Teil der LED-Produkte (ALED und OLED) muß einen Höchstwert einhalten (nur netzspannungsbetriebene Produkte und unter diesen auch nicht alle). Während die 2019er Verordnung für die Zeit ab dem 1. September 2021 einen Höchstwert von 0,4 vorsieht, soll dieser zunächst 0,9 betragen und zum 1. September 2023 auf 0,4 sinken." So lese ich gerade in den Mitteilungen der EU zum Flimmern.

Geht man so mit einer Technologie um, die seit 25 Jahren Zukunft bedeutet? Wenn man in den Verlautbarungen stöbert, findet man Lustiges. So wird gesagt, dass die LED keine ideale Technologie sei sondern eine reale. Sie hätte nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile. Eigentlich muss man so etwas dem gemeinen Volk nicht erzählen. Jeder weiß, dass alles Vor- und Nachteile hat. Nur bestimmte Experten scheinen die Vorteile zu beleuchten und die Nachteile im Dunkeln zu lassen. Und in der Fachpresse kann man nur vergebens nach Nachteilen von LED suchen.

War da was? Was ist überhaupt Flimmern? Etwas, was Jahrzehnte lang nicht existierte … In den Lehrbüchern stand zu lesen, dass das menschliche Auge nur niedrige Frequenzen wahrnehmen könne. Da das Licht mit 50 Hz betrieben werde und sich daher mit 100 Hz ändere, wäre es nicht möglich, ein Flimmern wahrzunehmen. Dabei haben bestimmt alle, die so einen Unsinn schrieben, in der Schule den Physikversuch mit Glimmlampen erlebt. Guckt man darauf, sieht man etwa stehendes Licht. Bewegt man den Kopf dabei, sieht man die Sinuskurve der Wechselspannung.

Da Menschen im Büro immer mit gesenktem Kopf still und ruhig sitzen, können sie also kein Flimmern empfinden. Auch als ein böser Mensch nachwies, dass etwa die Hälfte (!) der Kopfschmerzen, die man nur bei der Arbeit hat und nicht zu Hause (hier), dem Flimmern zu verdanken ist, blieb die "Lighting Community" bei der Vorstellung. Erst als die elektronischen Vorschaltgeräte für alle verfügbar wurden, durfte man von Flimmern reden. Dabei wurden schon in der Urzeit der Lichttechnik Methoden zur Vermeidung von Flimmern angeboten (hier). Jetzt geht es plötzlich nicht, das Flimmern zu reduzieren. Da müsste man manche LED-Lampe vom Markt nehmen, weil sie flimmert.

Gott verhüt's! Lampen vom Markt nehmen, weil sie flimmern? Wenn man 1985 so gedacht hätte, wäre die Kompakt-LL nie auf den Markt gekommen. Sie flimmerte nicht nur, sondern lief im Laufe von 24 Stunden zur Höchstform auf - will sagen, die Lampe brauchte 24 Stunden, bis sie stabil leuchtete. Später sollte sie Karriere machen als Energiesparlampe. Die Karriere war bekanntlich sehr kurz. Umso nachhaltiger ihre Wirkung auf das Design von Leuchten. Leider kann man diese nur noch in Entwicklungsländern bewundern, in denen Menschen nicht die Kosten für LED-Produkte aufbringen können. Bei uns trifft es nicht alle, sondern diejenigen, die beim Kauf davon an preiswert denken. Billig ist das richtige Wort.

Wo liegt das Problem? Wie in diesem Blog bereits häufig dargestellt (z.B. hier und da), sind LED keine Lampen sondern ultraschnelle Laserdioden. Zu diesem Zweck wurden sie auch weiterentwickelt und werden benutzt. Man kann damit auch Beleuchtung ohne Flimmern machen, wenn man sie z.B. mit Gleichstrom betreibt oder mit einer hohen Frequenz. Dies ist nicht immer möglich bzw. mit Kosten verbunden. eine Sparmöglichkeit ist die Modulation der Pulsweite. Die garantiert aber nicht nur billigere Lösungen, sondern auch Flimmern. Wie schlimm das werden kann, lassen diese Zahlen sprechen: Als Bildschirme richtig flimmerten, was man mit dem bloßen Auge erkennen konnte, fühlten sich 10% der Benutzer davon bei der Arbeit gestört. Bei modernen, geprüften Bildschirmen, sind es 35%. Und das obwohl die Bildschirme bei ruhigem Blick überhaupt nicht flimmern. Sie stören beim Blickwechsel, z.B. beim Suchen auf dem Bildschirm. Deswegen gehören Monitore mit PVM eher auf den Schrotthaufen denn auf den Arbeitsplatz. Ob ein günstiges Objekt nicht deswegen günstig ist, weil der Hersteller gespart hat, merkt man nicht.

Soeben meldet sich bei mir eine neue Mail. Das Datum, an dem der niedrigere Wert für SVM Vorschrift wird, hat sich verschoben. Richtig ist der 1. September 2024. Offenbar wollen die Hersteller länger sparen. Und unten steht, was die Bundesnetzagentur davon hält.

 

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