Stromversorgung in der Bildverarbeitung

Die LED-Technik hat unsere Beleuchtung revolutioniert. Die Beleuchtung von Büros, Wohnungen, Fahrzeugen, Straßen und Sportstätten profitieren von den Vorteilen der LED-Beleuchtung.

Verstärkt kommen bei Sportstätten High-Speed-Kameras zur Klärung von Schiedsrichter-Entscheidungen oder zur Trainingsanalyse zum Einsatz. Möchte man auf die Vorteile der LED-Technik zurückgreifen, gilt es durch die richtige Auswahl des LED-Netzteils den Flickereffekt zu verhindern.

Flickern ist uns durch Videoaufnahmen per Smartphone oder Digitalkameras schon einmal begegnet. Es sind die Hell-/Dunkel-Effekte während jedes einzelnen Bildes (Abb. 1).

Das Flickern begründet sich auf die natürliche Helligkeitsschwankung jeder künstlichen Lichtquelle. Meistens ist die Ursache eine Überlagerung der Bildfrequenz mit der Frequenz der Netzspannung oder einem Vielfachen davon, also 50 oder 100 Hz.

Das menschliche Auge benötigt ca. 14 Bilder je Sekunde, um eine Darstellung als fließende Bewegung wahrnehmen zu können. Die frühen Stummfilme wurden deshalb mit 14 fps (fps = Frames Per Second = Bilder je Sekunde) aufgezeichnet, bei modernen Kinofilmen reichen in der Regel Bildwiederholraten von 24 fps.

Um Filmaufnahmen in wissenschaftlichen oder sportlichen Bereichen später besser auswerten zu können, werden mehr Bilder pro Sekunde aufgezeichnet. Mit einer Slow-Motion-Aufnahme werden dann sehr schnelle Vorgänge in einer sehr viel langsameren Zeit zur Analyse abgespielt. Diese Kameras nennt man High-Speed- oder Slow-Motion-Kameras.

Diese Kameras werden in unterschiedliche Klassen eingeteilt: Slow-Motion (SM) mit Bildwiederholraten bis 150 fps, Super-Slow-Motion (SSM) mit 150 bis 600 fps und Ultra-Slow-Motion (USM) über 300 fps. Technisch möglich sind heute Kameras bis zu 30.000 oder 75.000 fps.

Bei den Olympischen Spielen in Peking 2008 kamen Slow-Motion-Kameras mit 70 fps zum Einsatz. In London 2012 wurden schon 300 fps verwendet. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro wurde Slow-Motion-Technik mit bis zu 1.500 fps eingesetzt. 

Für Fußballstadien gilt die Vorgabe vom Fußballverband UEFA von 2016. Für Kameras ist eine Bildwiederholrate von 300 fps vorgeschrieben. Gleichzeitig gibt es Vorgaben an die Beleuchtungstechnik zur Flickerfreiheit: Elite-Level-A-Stadien: Flickerfaktor kleiner 5 %, für Level-A- und Level-B-Stadien kleiner 12 % und für Level-C-Stadien kleiner 20 %.

Am einfachsten sind High-Speed- / Slow-Motion-Aufnahmen im Tageslicht, aber in den meisten Fällen sind wir auf künstliche Lichtquellen angewiesen.

Wo früher Metalldampf-Lampen zur Ausleuchtung verwendet wurden, finden wir immer mehr Leuchten mit LED-Technik. Sie sind wirtschaftlicher und schnellstartfähig, auch in Bezug auf Farbechtheit oder Lichtverteilung haben die LED-Leuchten zu den alten bekannten Lichtquellen aufgeschlossen.

LED-Technik gehört heute zur ersten Wahl, wenn es um Modernisierung oder Neuausrüstung von Industriehallen, Gebäudebeleuchtung oder Stadien geht.

Anders als die konventionelle Technik muss der Halbleiterbaustein LED mit einem konstanten Gleichstrom betrieben werden. Hier kommen oft vorgeschaltete LED-Treiber – idealweise mit Konstant-Strom-Regelung – zum Einsatz. Da LEDs äußerst sensibel oder reaktionsfreudig reagieren, muss das Netzteil einen sehr „sauberen“ Ausgangstrom haben. Je gleichförmiger der Stromverlauf für die LED ist, desto gleichförmiger ist auch die Umwandlung in Licht.

Die Stromschwankungen des Netzteils stehen im direkten Zusammenhang mit dem Flickerfaktor (siehe Abb.2). Konstant-Strom-Netzteile von Mean Well sind in Bezug auf den Wirkungsgrad die beste Wahl. Die Datenblätter lassen einen direkten Zugriff auf die Schwankungsbreite des Ausgangsstroms zu. Damit ist der zu erwartende Flicker-Effekt einfach abzuschätzen. Die Datenblattangaben der Hersteller sind eher konservativ, die real gemessenen Werte fallen durchaus besser aus.

Die Datenblätter der Serie XLG-100 (Abb.3) von Mean Well zeigen 3 % für die Strom-Schwankungs-Breite (Current Ripple), die Messdaten anhand des technischen Test-Reports zeigen einen erheblichen besseren Wert von nur 0,87 %. Bei der HLG-C und ELG-C werden 5 % angegeben, die typischen Messewerte liegen weit darunter.

Somit können mit den Mean-Well-Netzteilen der HLG-, ELG- und XLG-Serie bereits die UEFA-Anforderungen für Elite-Level-A-Stadien (Flickerfaktor kleiner 5 %) erfüllt werden.

Flicker spielen jedoch nicht nur in der High-Speed-Aufnahmetechnik eine besondere Rolle, sondern auch bei der Raumbeleuchtung. Neue Forschungen haben ergeben, dass das Flickern unsere Gesundheit negativ beeinflussten kann. In der Raumbeleuchtung werden oft Netzteile mit Konstant-Spannung CV oder mit der Mischform CC+CV eingesetzt. Diese LED-Netzteile sind nicht zwangsläufig ungeeignet. Die Datenblätter beinhalten nur eine Angabe für den Ripple & Noise der Ausgangsspannung, welcher lediglich indirekt Auswirkungen auf die Lichtemission der angesteuerten LED hat. Abb. 4 verdeutlicht die Ripple-& Noise-Definition.

Bei der Ermittlung des Ripple- & Noise-Parameters werden beim vorgegebenen Messaufbau Kondensatoren zwischengeschaltet. Diese sind jedoch im späteren Betrieb nicht einzusetzen und verfälschen somit die Beurteilung der Flickerfreiheit. Deshalb ist beim Einsatz der CV- bzw. CV+CC-Netzteile eine messtechnisch elektrische und optische Überprüfung zur Flickerbetrachtung notwendig.

Wir als Lösungsanbieter für Stromversorgungen stehen dabei gerne unterstützend und beratend unseren Kunden zur Seite, um gemeinsam die für Sie passende Lösung zu finden.