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Flimmereffekte von pulsweiten-modulierter LED-Beleuchtung

Polin, Dmitrij (2015):
Flimmereffekte von pulsweiten-modulierter LED-Beleuchtung.
Technische Universität Darmstadt, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4664],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Flimmereffekten, die bei PWM-gedimmten LED-Beleuchtung entstehen. Für die Anwendungen in Büro- und Kfz-Beleuchtung soll die minimale PWM-Frequenz ermittelt werden, bei der keine Flimmereffekte, wie direkt wahr-nehmbares Flimmern, der Stroboskopeffekt und der Perlschnureffekt, auftreten können. Die Literaturrecherche zeigt, dass der Fokus vieler physiologischen Studien auf der direkten Wahr-nehmung von Flimmern liegt und dass sich nur wenige Untersuchungen mit stroboskopischen Ef-fekten bei intermittierendem Licht auseinandersetzten. Die vorliegenden lichttechnischen Studien wurden teilweise unter künstlichen Bedingungen durchgeführt, weshalb die Übertragbarkeit ihrer Ergebnisse auf die Praxis in Frage gestellt werden muss. Zudem liegen keine Studien über strobo-skopische Effekte bei PWM-gedimmter Frontbeleuchtung im Automobil vor. Zur Ermittlung und Eingrenzung der relevanten Einflussparameter wird im Labor ein Versuchs-stand entwickelt. In vier Probandenstudien wird direkt wahrnehmbares Flimmern und der Perl-schnureffekt unter den für die Kfz-Beleuchtung relevanten Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass PWM-Frequenzen, die in Kfz-Beleuchtung üblich sind, kein Flimmern verursachen. Der Perlschnureffekt kann in Kfz-Innenraumbeleuchtung bei Frequenzen bis über 1000 Hz entstehen. PWM-gedimmte Frontbeleuchtung kann den Perlschnureffekt an Verkehrsschildern und Retrore-flektoren verursachen. Dabei wird in einer Probandenstudie die Grenzfrequenz unterhalb von 1000 Hz ermittelt. Für die Praxis ist eine PWM-Frequenz von ca. 460 Hz zu empfehlen, um den Perl-schnureffekt zu vermeiden. In zwei Fahrversuchen mit Probanden werden die Flimmereffekte im realen Straßenverkehr unter-sucht. Die Ergebnisse sind mit den Laborergebnissen qualitativ vergleichbar. Die absoluten Werte für die Grenzfrequenz sind etwas niedriger. Dies ist auf die Fahraufgabe und dynamische Verkehrssi-tuationen zurückzuführen, die im Labor nicht nachgebildet werden können. Die Laborergebnisse liefern eine gute Schätzung der Extremwerte. Mithilfe des erarbeiten Verfahrens kann die PWM-Frequenz sogar 200 Hz betragen, ohne dabei den Perlschnureffekt zu verursachen. Das Entstehen des Stroboskopeffekts in PWM-gedimmten Bürobeleuchtungen wird in zwei weite-ren Probandenstudien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine PWM-Frequenz um 550 Hz für die Dimmung von Bürobeleuchtung sinnvoll ist, um bei typischen Bürotätigkeiten keinen Strobo-skopeffekt zu verursachen. Mithilfe der vorgeschlagenen Methode kann die PWM-Frequenz deutlich geringer gewählt werden. Weiterhin sind große interpersonelle Unterschiede in Abhängigkeit des Alters, des Geschlechts und der aktuellen Befindlichkeit der Person zu verzeichnen. Zusätzlich hat die Tageszeit einen Einfluss auf die Wahrnehmung des Stroboskopeffekts.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2015
Creators: Polin, Dmitrij
Title: Flimmereffekte von pulsweiten-modulierter LED-Beleuchtung
Language: German
Abstract:

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Flimmereffekten, die bei PWM-gedimmten LED-Beleuchtung entstehen. Für die Anwendungen in Büro- und Kfz-Beleuchtung soll die minimale PWM-Frequenz ermittelt werden, bei der keine Flimmereffekte, wie direkt wahr-nehmbares Flimmern, der Stroboskopeffekt und der Perlschnureffekt, auftreten können. Die Literaturrecherche zeigt, dass der Fokus vieler physiologischen Studien auf der direkten Wahr-nehmung von Flimmern liegt und dass sich nur wenige Untersuchungen mit stroboskopischen Ef-fekten bei intermittierendem Licht auseinandersetzten. Die vorliegenden lichttechnischen Studien wurden teilweise unter künstlichen Bedingungen durchgeführt, weshalb die Übertragbarkeit ihrer Ergebnisse auf die Praxis in Frage gestellt werden muss. Zudem liegen keine Studien über strobo-skopische Effekte bei PWM-gedimmter Frontbeleuchtung im Automobil vor. Zur Ermittlung und Eingrenzung der relevanten Einflussparameter wird im Labor ein Versuchs-stand entwickelt. In vier Probandenstudien wird direkt wahrnehmbares Flimmern und der Perl-schnureffekt unter den für die Kfz-Beleuchtung relevanten Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass PWM-Frequenzen, die in Kfz-Beleuchtung üblich sind, kein Flimmern verursachen. Der Perlschnureffekt kann in Kfz-Innenraumbeleuchtung bei Frequenzen bis über 1000 Hz entstehen. PWM-gedimmte Frontbeleuchtung kann den Perlschnureffekt an Verkehrsschildern und Retrore-flektoren verursachen. Dabei wird in einer Probandenstudie die Grenzfrequenz unterhalb von 1000 Hz ermittelt. Für die Praxis ist eine PWM-Frequenz von ca. 460 Hz zu empfehlen, um den Perl-schnureffekt zu vermeiden. In zwei Fahrversuchen mit Probanden werden die Flimmereffekte im realen Straßenverkehr unter-sucht. Die Ergebnisse sind mit den Laborergebnissen qualitativ vergleichbar. Die absoluten Werte für die Grenzfrequenz sind etwas niedriger. Dies ist auf die Fahraufgabe und dynamische Verkehrssi-tuationen zurückzuführen, die im Labor nicht nachgebildet werden können. Die Laborergebnisse liefern eine gute Schätzung der Extremwerte. Mithilfe des erarbeiten Verfahrens kann die PWM-Frequenz sogar 200 Hz betragen, ohne dabei den Perlschnureffekt zu verursachen. Das Entstehen des Stroboskopeffekts in PWM-gedimmten Bürobeleuchtungen wird in zwei weite-ren Probandenstudien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine PWM-Frequenz um 550 Hz für die Dimmung von Bürobeleuchtung sinnvoll ist, um bei typischen Bürotätigkeiten keinen Strobo-skopeffekt zu verursachen. Mithilfe der vorgeschlagenen Methode kann die PWM-Frequenz deutlich geringer gewählt werden. Weiterhin sind große interpersonelle Unterschiede in Abhängigkeit des Alters, des Geschlechts und der aktuellen Befindlichkeit der Person zu verzeichnen. Zusätzlich hat die Tageszeit einen Einfluss auf die Wahrnehmung des Stroboskopeffekts.

Uncontrolled Keywords: PWM, Dimmung, Flimmern, Stroboskpeffekt, Perlschnureffekt, Kfz-Beleuchtung, Innenraumbeleuchtung
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Light Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
Date Deposited: 26 Jul 2015 19:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4664
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46641
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc and Neumann, Prof. Dr. Cornelius
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 1 July 2015
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
pwm, dimming, flickering, stroboskopic effect, beads effect, automotive lighting, ambient lightingEnglish
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The aim of this doctoral thesis is the investigation of flicker caused by PWM dimming of LED lighting. Focused on applications in office and automotive lighting, the aim is to determine the minimum PWM frequency at which no flickering effect (direct flicker perception, the stroboscopic effect or the beads effect) occurs. Literature research showed that there were many physiological studies addressing direct flicker perception but only a few studies dealt with the stroboscopic effect. Available studies have been carried out partly under artificial conditions. This raises the question of whether these results can be applied to practice. Moreover, there are no investigations about the stroboscopic effect in automotive front lighting dimmed by PWM. In order to clarify the content and to determine the relevant influencing factors, a test setup was constructed in the laboratory. Four volunteer experiments were conducted to investigate flicker perception and the beads effect under controlled lighting conditions which are relevant for automotive applications. Results show that PWM frequencies which are widely used in today’s automotive lighting do not cause flicker. In automotive interior lighting, the beads effect can be still observed at frequencies above 1000 Hz. Dimming automotive front lighting by PWM can cause beads effect at traffic signs and other retroreflectors. In an experiment, the critical frequency turned out to be less than 1000 Hz. According to the result of the present thesis, it is recommended for automotive front lighting to use a PWM frequency of about 460 Hz in order to avoid the beads effect. Two test drives were carried out to investigate flicker perception on public roads. The results are qualitatively comparable to the results of the laboratory tests. The absolute values of the critical frequency are slightly lower. The reason for this can be traced back to the driving task and to dynamic traffic situations which cannot be reproduced in laboratory tests. In each case, laboratory results provide a useful estimate of the extreme values. By means of the new method developed in this thesis, it is even possible to avoid the beads effect using a PWM frequency of 200 Hz. The stroboscopic effect was also investigated in two other experiments using office lighting which was dimmed by PWM. The results show that a PWM frequency of about 550 Hz is necessary in order to avoid the stroboscopic effect during typical office work. The PWM frequency can be lower by using the above mentioned new method. Furthermore, there are significant flicker and stroboscopic perception differences depending on the factors age, gender or the current mental state of the subject. Also the time of day influences the perception of the stroboscopic effect.English
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