Alle Lampen flackern zu einem gewissen Grad und das kann Auswirkungen auf das Wohlbefinden und die Gesundheit haben.

In Europa werden Lampen mit 50 Hz Wechselspannung versorgt. Es gibt mit doppelter Frequenz (100 Hz) Maxima der höchsten Stromstärke. Daher flackern grundsätzlich alle Lampen mit 100 Hz. Bei den alten Glüh- und Halogenlampen wird der Wolframdraht mit einer Frenquenz von 100 Hz durch den stärker und schwächer werdenden elektrischen Strom etwas heißer und kühlt wieder ab. Das übersetzt sich in Helligkeitsänderungen: Glüh- und Halogenlampen flackern mit 100 Hz und ca. 6-10 % Modulationstiefe. Bei alten Leuchtstofflampen mit konventionellem Vorschaltgeräten und LEDs mit sehr schlechter Vorschaltelektronik ist der Einbruch der Lichtintensität noch deutlich stärker. Andere Lampen nutzen elektronische Vorschaltgeräte oder Treiber um die Netzfrequenz mit einer höheren Frequenz zu überlagern und weiter zu glätten.

Bei einem sinusförmigen Flackern von Glühlampen mit der Intensität $I(t) = I_0 (1 + M\cdot sin(2\pi\cdot f \cdot t)) = I_0 (1 + M\cdot sin(t/T))$ ist $M$ die Modulationstiefe, z.B. 9%, und $f=100Hz$ die Frequenz bzw $T=10ms$ die Periodenlänge. Die Intensität schwankt zwischen (I₀-MI₀) und (I₀+MI₀). Die Modulationstiefe M wird auch als “Prozent Flicker” bezeichnet. Die Grenzwerte hierfür lauten (IEEE Draft Recommended Practices of Modulating Current in High Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers 2014):

$M \leq f \cdot 0.08 \frac{\%}{Hz}$ für 90 Hz < f < 1250 Hz

$M \leq f \cdot 0.025 \frac{\%}{Hz}$ für 8 Hz < f < 90 Hz

$M \leq f \cdot 0.02 \%$ für f < 8 Hz

Bei dieser Grenze geht man davon aus, dass kein negativer biologischer Effekt auf den Menschen besteht. Aber erst bei einem um einen Faktor 2,5 geringeren Wert gilt es als sicher, dass überhaupt kein Flicker mehr Wahrnehmbar ist (NOEL = no observable effect level).

Berechnet man das Verhältnis der Fläche oberhalb der mittleren Intensität zur Gesamtfläche ergibt das den Flicker Index. Je kleiner der Wert ist, desto besser. Der Wert sollte - zusätzlich zur obigen Regel - unter 0,1 bzw. 10% liegen. Bei der Sinusschwankung der Glühbirne entspricht der Flicker-Index direkt der Modulationstiefe/Pi: $= \frac{\int_0^{T/2} I_0\cdot{}M\cdot{}sin(t/T))}{I_0\cdot{}T/2} = \frac{M}{\pi} = $ 2.86% (bei M = 9% und f = 100 Hz). Bei Lampen mit einem unregelmäßigeren Zeitverlauf können Modulationstiefe und Flicker-Index stark von einander abweichen. Der Flicker-Index betrachtet stärker den tatsächlichen zeitlichen Helligkeitsverlauf.

P_st^LM

(Lindén & Dam-Hansen 2023)

Für LEDs schreibt die Ecodesign-EU-Richtlinie Pst LM ≤ 1,0 und SVM (Stroboskobeffekt) ≤ 0,4, der vom Hersteller angegebene Wert darf maximal um 10% überschritten werden.

Flackern hat zum Einen Auswirkungen auf die direkte Wahrnehmung, man spricht auch von TLA (temporal light artefacts). Zum Anderen kommt es zu Neurobiologischen und Kognitiven Effekten.

1. eine Lichtquelle die mit hoher Modulation und geringer Frequenz flackert, kann direkt als flackernd wahrgenommen werden.
2. Bewegte Objekte scheinen unter einer flackernden Beleuchtung zu springen, rotierende Objekte können sogar völlig bewegungslos erscheinen. Dieser Stroboskop-Effekt kann zu gefährlichen Situationen beim Bedienen von Maschinen führen. Bewegt mein eine Hand schnell unter einer flackernden Lampe hin und her sind z.B. viel mehr Finger sichtbar als die Hand tatsächlich hat.
3. Flackernde Lichtquellen können bei Kopf/Augenbewegung einen Streifen, auch “Phantom Array” oder “Perlschnur” genannt, hinter sich herziehen. Beim Lesen dreht sich das Auge mit einer Geschwindigkeit von 180°/s, so dass bei einer Frequenz von 100 Hz etwa alle 2° ein Bild entsteht.

Phantom Array Effects durch flackernde Rücklichter eines Autos auf der Autobahn.

Am berühmtesten aber für die Allgemeinheit doch völlig irrelevant: Bei Menschen mit einer photosensitiven Epilepsie können durch niederfrequentes Flacker mit 3 - 70 Hz (am häufigsten 15 - 20 Hz) Krampfanfälle ausgelöst werden.

Flackernde Lampen, z.B. alte Leuchtstoffröhren mit konventionellem Vorschaltgerät oder LEDs mit einer schlechten Treiberelektronik, können Kopfschmerzen und müde Augen (Asthenopie) verursachen.

Im direkten Vergleich von Büroarbeitern aus Büros mit Leuchtstoffröhren mit konventionellem Vorschaltgerät (100 Hz Flicker mit 45% Modulationstiefe) und Leuchtstoffröhren mit elektronischem Vorschaltgerät (32000 Hz, 7% Modulationstiefe) zeigt sich: Kopfschmerzen und müde Augen kommen nur etwa halb so oft vor (Wilkins et al. 1989).

Frequenzen bis 160/200 Hz werden von der menschlichen Retina wahrgenommen, auch wenn das Flackern oft nicht bewusst gesehen wird.

Unter Leuchtstoffröhren mit konventionellem Vorschaltgerät berichten Menschen ein geringeres Wohlbefinden als unter Leuchtstoffröhren mit elektronischem Vorschaltgerät (Knez 2014)

Unter Leuchtstoffröhren mit konventionellem Vorschaltgerät schneiden Menschen in schriftlichen Problemlöseaufgaben schlechter ab als unter Leuchtstoffröhren mit elektronischem Vorschaltgerät (Knez 2014)

Bei Vögeln spielt das Flimmern von Leuchtstoffröhren in der Haltung eine große Rolle. Bei Vögeln ist bekannt, dass die visuelle Wahrnehmung der Tiere bei einer flackernden Beleuchtung leidet: Weibliche Vögel sind in der Partnerwahl weniger eindeutig wenn Röhren mit konventionellem anstelle von elektronischem Vorschaltgerät verwendet werden (Evans, Cuthill, & Bennett 2006). Es wird vermutet, dass die Haltung unter einer flimmernden Beleuchtung für die Tiere stressig ist (Maddocks, Goldsmith, & Cuthill 2001).

Die Wahrnehmung einer schnellen Folge von Lichtsignalen hängt mit der Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung in der Netzhaut zusammen. Lebewesen die darauf angewiesen sind schnelle Bewegungen wahrzunehmen haben üblicherweise eine höhere Flimmerverschmelzungsfrequenz. Die Flimmerverschmelzungsfrequenz (critical flicker fusion threshold, CFF) gibt an, ab welcher Frequenz eine Folge von Lichtblitzen nicht nicht mehr wahrgenommen werden kann. Beim Menschen beträgt sich je nach Lichtintensität 20 bis 80 Hz (Hentschel 2001). Deutlich höhere Flickerfusionsfrequenzen sind bei Insekten möglich, die Flickerfusionsfrequenz von Schmeißfliegen liegt bei 250 Hz¹⁾, Jagdvögel besitzen eine Flickerfusionsfrequenz von bis zu 150 Hz. Bei dieser Definition wird dem Auge ein hartes an-aus Signal geliefert. Unter moderateren Bedingungen verschmilzt eine Bewegung bereits wesentlich früher. Bei Super-8 Videoaufnahmen reichen bereits 18 Einzelbilder pro Sekunde um den Eindruck eines Bewegungsablaufs zu erwecken. Ein flüssiger Bewegungsablauf ergibt sich bei 20 bis 30 Hz.

Eine experimentell relativ einfache Methode, die Flimmerverschmelzungsfrequenz von Tieren zu untersuchen, stützt sich auf die Optomotorik. Setzt man ein Tier in einen rotierenden Zylinder so folgen die Augen unwillkürlich der Bewegung. Sobald die Rotation so schnell ist, dass das Tier hell und dunkel nicht mehr unterscheiden kann sondern als gleichmäßiges Grau wahrnimmt, hört diese Augenbewegung auf.

• Gecko (Sphaerodactylus, reine Stäbchenretina): CFF=25Hz (Crozier & Wolf 1939)
• Schmuckschildkröte: CFF=50Hz (Crozier, Wolf, & Zerrahn-Wolf 1939)
• Krötenechse (reine Zapfenretina): CFF=42Hz (Crozier & Wolf 1941)
• Anolis: CFF=42Hz, Tiere aus dunklen Habitaten hatten eine niedrigere Flimmerverschmelzungsfrequenz (Jenssen & Swenson 1974)

Wenn man die Netzhaut mit Lichtblitzen bestrahlt und das elektrische Signal des Sehnerves betrachtet, kann man die Flickerfusionsfrequenz experimentell ermitteln. Mit einem Elektroretinogramm kann das elektrische Signal an der Hornhaut abgegriffen werden, und kann somit am lebenden (betäubten) Tier durchgeführt werden, ohne dieses zu schädigen. Untersuchungen mit Elektroretinogramm liefern höhere Flimmerverschmelzungsfrequenzen als optomotorische Methoden (Fleishman, Marshall, & Hertz 1995):

Solche Untersuchungen wurden bei verschiedenen Reptilien und Amphibien durchgeführt:

• Mensch: CFF=70Hz (Crevier & Meister 1998)
• Anolis: CFF=70Hz, es wurden kaum Unterschiede bei Tieren aus hellem oder dunklem Habitat beobachtet (Fleishman, Marshall, & Hertz 1995)

Dann gibt es noch eine Reihe weiterer Experimente, die Rückschlüsse auf die Flimmerverschmelzungsfrequenz zulassen. Trotz begrenztem Farbraum, zweidimensionalem Bild und Zusammensetzung aus Einzelbildern sind Echsen in der Lage auf einen Videofilm ihrer Artgenossen mit den üblichem Territorialverhalten zu reagieren (Ord et al. 2002). Und Brückenechsen konnten darauf trainiert werden, zwischen Lichtblitzen der Frequenzen 3 Hz bis 45Hz und konstanter Beleuchtung zu unterscheiden. Sie konnten Lichtblitze der Frequenz 65Hz jedoch nicht von konstanter Beleuchtung unterschieden (Woo et al. 2009). Ihre Flimmerverschmelzungsfrequenz liegt daher unter 65Hz.