Light Flicker. What does it mean?*

In 2013, Germany amended livestock welfare regulations to require poultry barns to have flicker-free artificial lighting specifically tailored to the perceptive capacity of the animal variety in question. However, the new regulations do not provide exact definitions and do not specify threshold values. This shortcoming in technical specifications for photometric flicker quality unfortunately permits too much latitude in judging artificial lighting systems for use in barns. Parties involved therefore must address the following question: “Exactly what constitutes flicker-free lamps which are acceptable for poultry rearing?” A simplified qualitative assessment of photometric flicker is set out below.

Definition of photometric flicker

“Photometric flicker is the rapid change in light intensity from a light  source.”

Photometric flicker is caused by the following three effects:

  • Light density flicker is caused by changes to brightness levels caused by a light source (e.g. bulbs, fluorescent tubes, LED-semiconductors) powered by alternating current.
  • Chromatic flicker is caused by changing or fluctuating light colors.
  • Stroboscopic effect (“Disco lighting”) is caused by rapidly repeating light flashes.

Physiological perception

In order to evaluate the quality of a light source, human or animal physiology needs to be taken into account. Flicker fusion frequency is an important factor affecting the perception of photometric flicker. This frequency (in Hertz or fps) denotes the threshold above which the interruptions between successive frames can no longer be distinguished. It depends on six parameters:

  • frequency of light modulation
  • amplitude of light modulation
  • average light intensity
  • light wavelength
  • position of the light within the eye
  • light/dark adaptation of the eye

In a darkened cinema/theatre, 18 frames per second (18 Hertz) are already sufficient to guarantee flicker-free viewing pleasure. A significant minority of people can even consciously register frequencies up to 85 Hz. In particular circumstances (e.g. PC monitors) certain people can subconsciously perceive photometric flicker frequencies up to a maximum of 500 Hertz.

Animal scientists have discovered that chickens are actively able to detect photometric flicker up to a threshold of circa 140 Hertz. This means that chickens can resolve or register almost twice as many frames per second compared to humans.

Flicker fusion frequency is however strongly influenced by the brightness of the surrounding light. This means that the threshold frequencies mentioned above for humans are only valid above a minimum of 200 lux.

Photometric flicker physically stresses both humans and animals. The body attempts to adapt to the flicker. These rapid adaptations stress both muscles and the brain, sometimes materially. This process also takes place even if the flicker is not actively perceived by the observer. In humans, this can lead to headaches, tiredness, exhaustion, migraines, and, in the worst case, epileptic fits. In poultry, stress symptoms include reduced laying frequency, pecking, and lower growth. With the ban on beak trimming, avoiding extra stress from photometric flickers is more important.

How to measure photometric flicker

Photometric flicker can be measured in three different ways:

Percent flicker

 

Measuring percentage flicker is a simple and frequently used procedure (= proportion MIN/MAX of brightness). However, it does ignore the full light cycle.

 

 

Modulation index flicker

Measurement of the modulation index is an alternative measurement procedure, which expresses how strongly luminous flux varies around its average value. This method also fails to take the full light cycle comprehensively into account.

Flicker index

Measurement of the flicker index is more complex, but on the other hand, it does permit a good level of comparability between results. This measurement takes into account the totality of the luminous flux emitted, and not just the maximum and minimum values. The result in each case is in a value range from 0 to 1 (0–100%). Whereby: The lower, the better!

Evaluation of a light source

Flicker Index

(0–1)

6 W LED energy-efficient bulb-E27 “Low-cost product; dimmed to 10% brightness”  0.64
18 W LED tube (T8-Retrofit replacement) “no dimming” 0.16
36 W fluorescent tube “low-loss ballast with ignition coil; no dimming”  0.12
9.5 W LED energy-efficient bulb-E27 “Branded product; dimmed to 10%” 0.10
15 W LED luminaire “ilox-HWDKS-LED; dimmed to 10%” 0.05
230 VAC incandescent bulb “dimmed with TRIAC electronic dimmer” 0.03
7 W LED energy efficient bulb-E27 “ilox XENA; dimmed to 10%” 0.02

Electric lighting is usually powered with an alternating mains frequency of 50 or 60 Hertz, which leads to a ripple frequency of twice as much in terms of the light produced, i.e. 100 to 120 Hertz. Scientific studies in Sweden have shown that lamps with 100 Hz frequency should not have a flicker index any higher than 0.1 (10% max.) for humans.

If this scientifically determined threshold value is applied to chickens, which are 1.65 times more sensitive to photometric flicker, the implied threshold value for this type of poultry is 0.06 (6% max.). In terms of artificial lighting for poultry rearing, this means: that lighting with a ripple frequency of 100 Hz should not have a flicker index value any higher than 0.06.

In practice, from a technical point of view, the following points are important:

  • If lamp brightness in poultry barns is controlled by phase-cut dimmer systems (TRIAC or MOSFET dimmers) or by electronic current modulation (PWM dimmers), this threshold value should be respected and/or demonstrated for each brightness level.
  • If LEDs are used with a DC-voltage set up without significant ripple noise, they will have a practically undetectable flicker value, and can be classified as flicker-free.
  • Fundamentally all lamps with a periodic lighting ripple frequency above 1000 H
  • ertz can be considered flicker-free. For example, these include fluorescent tubes powered by modern high-frequency electronic ignition equipment (30-120 kHz electronic ballasts).
  • Periodic light flicker should not be confused with short-term changes in brightness caused by occasional fluctuations in mains voltage (e.g. when large electrical loads are switched on).

Conclusion

If fluorescent tubes or LED lights are run on alternating current or with modulated DC (e.g. PWM dimming), the photometric flicker effects which usually arise are correspondingly more or less perceptible.

The flicker quality of LEDs or fluorescent tubes is significantly affected by the switching quality of the electronics which drive them, as well as by the dimming system chosen. Cheap, imported lights sold through the deep discount sector and/or unsuitable dimmers or switch equipment are often associated with high flicker values. Especially in the context of the tighter, future requirements for poultry rearing, (110-240 VAC) electric lighting systems should not exceed a flicker index value of 0.06 (6%).

It is the responsibility of the system/light producer to confirm or prove that the lighting for the entire barn lighting/dimming system conforms with this threshold value.

Sources:

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.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

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?

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

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

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.

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:

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.

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.

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

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