Inzicht in problemen met ledverlichting

belangrijke invloed van (inter)harmonischen

Het omschakelen van klassieke verlichting naar leds verloopt niet altijd probleemloos. Om een dieper inzicht te krijgen in de problematiek startten ATS Groep en UGent Campus Kortrijk – Lemcko een gezamenlijk onderzoek, uitgewerkt in het kader van een masterproef. Daarbinnen werden verschillende problematieken geanalyseerd. In dit artikel lichten we het flikkerprobleem uit.

METEN EN BEOORDELEN VAN FLIKKER

Zichtbare en onzichtbare flikker

Flikker is een variatie van lichtintensiteit in de tijd. Flikker kan zichtbaar of onzichtbaar zijn en is vanaf een bepaalde graad ongewenst. Zichtbare flikker is typisch laagfrequent en wordt als storend ervaren. De mens zal zich niet meteen storen aan onzichtbare flikker, maar doordat het oog zich continue aanpast aan de lichtintensiteit, treedt bij langdurige blootstelling, vermoeidheid, hoofdpijn en verminderde concentratie op.

Meten van de lichtintensiteit

In Lemcko werd een meetopstelling voorzien om de lichtintensiteit te meten. Figuur 1 toont de variatie in lichtintensiteit van een gloeilamp en een spaarlamp. Bij beide technologieën is de dubbele netfrequentie (100 Hz) duidelijk te zien.

Figuur 2 toont hetzelfde voor ledverlichting. Hier is een duidelijk verschil. Bij de ene led is er een 100 Hz-variatie, bij de andere led is de intensiteit constant. Het verschil is te wijten aan de interne stroombron van de led. Bij een led is de lichtintensiteit evenredig met de stroom, niet met de spanning. Voor een constante lichtstroom is dan ook een stroomsturing nodig, wat het geval is bij figuur 2. De gemeten variatie van 100 Hz, aanwezig bij de verschillende lichttechnologieën vormt geen probleem. De reden hiervoor is dat 100 Hz te snel is om problematisch te zijn voor het oog. Tot 70 Hz is flikker waarneembaar. Gegeven de dubbele frequentie in de lichtintensiteit wil dit zeggen dat er bij normale netspanning geen probleem is met flikker. Hoe problematisch flikker is, hangt af van zowel de grootte van de variatie als de frequentie van de variatie. 

Beoordeling van zichtbare flikker

De objectieve beoordeling van zichtbare flikker is in het onderzoek gebeurd aan de hand van de Compact Flicker Degree (CFD) [1]. Bij deze methode wordt rekening gehouden met de lichtgolfvorm. De lichtintensiteit wordt omgezet in een elektrische spanning (fig. 1 en fig. 2). Van deze golfvorm wordt het spectrum bepaald. Afhankelijk van de frequentie wordt een ander gewicht toegekend om rekening te houden met de ooggevoeligheid en de specifieke respons van de mens op bepaalde frequenties. Het is bv. gekend dat een 8 Hz-variatie als meest storend ervaren wordt. De interpretatie van de CFD wordt opgedeeld in verschillende categorieën. Aan elke categorie is een kleur toegekend (zie tabel).

INVLOED VAN HARMONISCHEN EN INTERHARMONISCHEN OP VERLICHTING

In Lemcko werden bij verschillende ledlampen metingen verricht (zie figuur 3). De lampen werden gevoed met een programmeerbare bron. De spanning bevatte telkens een specifieke harmonische of interharmonische. Voor de lage orde harmonischen (3de tot 11de) werd gemeten met verschillende faseverschuivingen ten opzichte van de 50 Hz-grondgolf. Voor de keuze van de interharmonischen werd gekeken naar de mogelijke CAB-signalen (centrale afstandsbesturing). De netbeheerder gebruikt het CABsignaal om berichten via het net te versturen. Deze berichten worden gebruikt voor verschillende doeleinden, zoals het aan- en uitschakelen van straatverlichting of het overschakelen tussen dag- en nachttarief. Deze CAB-signalen worden gesuperponeerd op het 50 Hzspanningsnet. Het frequentiegebied is vastgelegd in de norm EN 50160 tussen 110 Hz en 3.000 Hz, alsook de maximale amplitude. Typische frequenties zijn 180 Hz, 185 Hz en 283 Hz. Ook de harmonisch 1.350 Hz wordt gebruikt. Voor deze frequenties is het zinloos om een faseverschuiving toe te passen, aangezien deze niet synchroon lopen met de grondgolf.
Het resultaat is te zien op figuur 3.

Enkel lamp B is een dimbare ledlamp. Er zijn duidelijk grote verschillen te zien tussen de verschillende lampen. Het valt op dat lampen D en E een lagere kwaliteit hebben voor wat betreft de lichtoutput, zelfs bij een zuivere sinusoïdale spanning. Deze lampen worden bij voorkeur niet gebruikt als werkplekverlichting. Bij alle lampen hebben de harmonischen en demping (verlaging van de spanning met 6%) een beperkte invloed op de CFD. De CFD wijzigt weinig ten opzichte van deze gemeten bij een zuiver sinusoïdale spanning en blijft voor deze situaties steeds binnen dezelfde kleurencategorieën. Het belangrijkste besluit dat kan worden genomen is dat de interharmonischen bij een groot deel van de lampen zorgen voor een toename van de CFD. Bij zes lampen is dit in dergelijke mate dat deze in de rode zone komen te liggen. Dit komt grotendeels overeen met de visuele waarnemingen, er is enkel zichtbare flikkering waargenomen bij de metingen met interharmonischen.

INVLOED HARMONISCHEN EN INTERHARMONISCHEN OP VERLICHTING MET DIMMER

In een volgende stap wordt een geschikte dimmer voor de ledlamp geschakeld. Op figuur 4 is te zien dat opnieuw de interharmonischen voor problemen zorgen.

Figuur 5 toont dat bij beperkte amplitude van de interharmonische de flikker problematisch is. De reden van deze grote invloed is te vinden bij de werking van de dimmers. Deze baseren zich op de nuldoorgangsverschuiving van de spanning om de halfgeleiderschakelaar te laten schakelen. Bij de harmonischen kan de nuldoorgangsverschuiving wijzigen maar deze wijziging is constant waardoor er geen waarneembare flikker is. Bij interharmonischen verandert de nuldoorgang bij elke periode doordat de interharmonische en grondgolf niet gesynchroniseerd zijn.

OPLOSSEN VAN PROBLEMEN

De oplossing van het beschreven probleem is te vinden in figuur 3. Een lamp van een andere producent kan het probleem oplossen. Voor hardnekkige problemen zijn CAB-filters aangewezen. Maar let op, niet elke flikkering is te wijten aan interharmonischen. In de meeste gevallen is het probleem de compatibiliteit tussen de led en de dimmer. Dus, vooraleer grote wijzigingen te doen, start met het lezen van de handleiding.

 

Bronvermelding

[1] P. Erwin and P. Shackle, 'Understand a new flicker metric and its application to AC LED light engines' 
LEDs-MAGAZINE, 2017