Notebookcheck

Warum wir von Pulsweitenmodulation (PWM) Kopfweh bekommen

Christian Reverand, Felicitas Krohn (übersetzt von Katherine Bodner), 20.12.2017

In unseren Testberichten heben wir Displays mit Pulsweitenmodulation (PWM) in einer niedrigen Frequenz oft negativ hervor – aber warum? Dieser Artikel sieht sich die Technologie der Pulsweitenmodulation (PWM) genauer an und bespricht, warum bestimmte PWM-Frequenzen für User schädlich sein können.

Einführung

Die Originalfassung des englischen Artikels finden Sie hier.

Wenn wir auf Laptop-Displays Pulsweitenmodulation (PWM) feststellen (wie beim Samsung Notebook 9 NP900X5N bei einer Helligkeitsstufe von bis zu 99 % oder beim Lenovo Yoga 700 14ISK Convertible bei bis zu 90 %), sehen wir das als etwas Schlechtes. User, die einen Bildschirm mit PWM benutzen, klagen oft über Augenbrennen und Kopfschmerzen. Aber was ist PWM genau, und warum löst es bei manchen Menschen diese Symptome aus?

Die Grundlagen

Bevor wir über PWM sprechen, möchten wir ein paar Grundlagen der Signal-Arten erklären. Es gibt zwei grundsätzliche Arten von Signalen – Analog und Digital. Analoge Signale haben eine variable Intensität – von 0 % (ausgeschaltet) bis 100 % (Maximum), wodurch zum Beispiel bei der Displayhelligkeit oder bei der Lüfter-Geschwindigkeit verschiedene Stufen eingestellt werden können. Digitale Signale haben keine Abstufungen: Sie können entweder ein- oder ausgeschaltet sein. Das bedeutet, dass es unmöglich ist, die Helligkeit im digitalen Bereich einfach zu regeln.

Digitale Signalregler sind aber billiger, kleiner, energieeffizienter und einfacher zu verwenden als eine analoge Kontrolle. Um die Vorteile digitaler Signalregler nutzen und gleichzeitig die Funktionen von analogen Signalen beibehalten (oder sogar verbessern) zu können, wird PWM eingesetzt.

Unsere unabhängige Redaktion wird durch Werbung bezahlt. Wir zeigen Lesern die geringst-mögliche Menge an Ads, jedoch sehen Adblock-Nutzer mehr und qualitativ schlechtere Werbung. Bitte schalten Sie Ad-Blocker ab.

Was ist PWM?

PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 100 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 90 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 80 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 70 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 60 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 50 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 40 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 30 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 20 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 10 % Helligkeit eingeschaltet ist
PWM-Test untersucht, wie lange das Display bei 0 % Helligkeit eingeschaltet ist
 

PWM-Tests bei unterschiedlichen Helligkeitsstufen von 100 % bis 0 %.

Bei PWM wird das digitale Signal in einer sehr hohen Frequenz immer wieder ein- und ausgeschaltet, um ähnliche Ergebnisse wie die eines normalen analogen Signals zu erhalten. Um beispielsweise 70 % der Bildschirmhelligkeit zu erreichen, muss das digitale Signal 70 % der Zeit das Display einschalten und 30 % der Zeit ausschalten. Der Wechsel zwischen den beiden Zuständen erfolgt sehr schnell mit einer Frequenz die in Hertz (Hz) oder in der Anzahl der Wechsel pro Sekunde gemessen wird. Je schneller die Frequenz, desto weniger fallen uns die „Aus“-Phasen auf – bis der Effekt nicht mehr von dem eines analogen Signals unterschieden werden kann.

Ist PWM notwendig? Kurz gesagt: Ja. PWM wird heutzutage nicht nur für LCD-Helligkeit eingesetzt, sondern auch für die meisten Arten von Regelung in elektronischen Geräten verwendet. Servo-Motoren und Lüfter-Geschwindigkeiten (Sie haben vielleicht bemerkt, dass Gehäuselüfter für einen Computer manchmal als „mit PWM“ beschrieben werden.) sind zwei übliche Beispiele für die Verwendung von PWM. Neue Technologien, wie sie in Smartphones zu finden sind, sind zu klein und für zu geringen Stromverbrauch ausgerichtet, um Alternativen wie analoge Regler einsetzen zu können. 

Warum löst PWM Augenbrennen, Übelkeit und Kopfweh aus?

Geringe PWM-Frequenzen auf einem Display sind unserer Meinung nach nicht wünschenswert, da dies bei Nutzern Augenbrennen, Übelkeit und Kopfweh auslösen kann. Das geschieht, weil der Bildschirm in einer bemerkbar niedrigen Frequenz blinkt, was ein ständiges Weiten und Zusammenziehen der Pupille auslöst. 

 

Ist die Frequenz des PWM hoch genug, löst sie bei Nutzern, aufgrund der Flimmerverschmelzungsfrequenz (Flicker Fusion Threshold) des menschlichen Auges, weniger Probleme aus. Diese Funktion des Auges erlaubt es, flackerndes Licht, wenn die Frequenz hoch genug ist, als kontinuierliches Licht zu sehen. Ist die Frequenz zu gering, können die oben genannten Symptome erscheinen und Nutzern Probleme bereiten. Da bei LCD-Monitoren das Bild immer sichtbar ist, und nur die Hintergrundbeleuchtung ein- und ausgeschaltet wird, kann die Helligkeit bei gleichbleibendem Bild kontrolliert werden. Leider sind die meisten Displays heutzutage mit zu hoher maximaler Helligkeit ausgestattet, um ohne Gesundheitsrisiko verwendet werden zu können, was eine Studie von Retro-PC-Mania belegte. Daher sollten Nutzer ihre Geräte bei einer geringeren Helligkeitsstufe verwenden, um Schäden zu vermeiden (je nach Display etwa 30 – 40 %), was die Wichtigkeit von gutem PWM weiter erhöht. Je niedriger die Helligkeitsstufe, desto wichtiger ist es, eine hohe PWM-Frequenz zu haben, da das Display länger ausgeschaltet als eingeschaltet ist. Darum muss das Intervall zwischen den Phasen, in denen das Display eingeschaltet ist, kurz genug sein, um gleichmäßig zu erscheinen. Sehen Sie sich zum Beispiel den PWM-Test des Dell XPS 15 2016 (9550) Infinity Edge an – das PWM-Flackern ist nur bis zu 10% der Helligkeit erkennbar.

Bildschirm-Flackern / PWM (Pulse-Width Modulation)

Eine günstige Methode um die Helligkeit eines Bildschirms zu steuern, ist die Beleuchtung periodisch ein- und auszuschalten. Dies nennt sich PWM (Pulsweitenmodulation) Diese Umschaltung sollte mit einer hohen Frequenz stattfinden damit das menschliche Auge kein Flimmern wahrnimmt. Wenn die Frequenz zu niedrig ist, kann dies zu Ermüdungserscheinungen, Augenbrennen, Kopfweh und auch sichtbaren Flackern führen.
Flackern / PWM festgestellt 362 Hz ≤ 10 % Helligkeit

Das Display flackert mit 362 Hz (höchstwahrscheinlich durch Pulsweitenmodulation PWM) bei einer eingestellten Helligkeit von 10 % und darunter. Darüber sollte es zu keinem Flackern kommen.

Die Frequenz von 362 Hz ist relativ hoch und sollte daher auch bei den meisten Personen zu keinen Problemen führen. Empfindliche User sollen laut Berichten aber sogar noch bei 500 Hz und darüber ein Flackern wahrnehmen.

Im Vergleich: 53 % aller getesteten Geräte nutzten kein PWM um die Helligkeit zu reduzieren. Wenn PWM eingesetzt wurde, dann bei einer Frequenz von durchschnittlich 8933 (Minimum 43, Maximum 142900) Hz.

Redakteur gesucht!

Du bist ein hochmotivierter und treuer Leser von Notebookcheck und willst mitgestalten? Dann bewirb dich jetzt!
Wir suchen die Besten für unser Team!

Es ist auch wichtig zu wissen, dass die Grenze, ab der Menschen Probleme bekommen, sich von Nutzer zu Nutzer unterscheidet. Jede Person reagiert anders, und manche haben vielleicht selbst bei teuren High-End-Displays ein Problem, während andere auch vom schlechtesten Bildschirm nie Kopfweh bekommen. Wie oben zu sehen, ist eine PWM-Frequenz von 362 Hz für die meisten User, die normalerweise von sichtbarem PWM beeinflusst werden würden, kein Problem, auch wenn es für viele sichtbar ist. Eine kürzlich veröffentlichte Studie von Dial bestätigt, dass die Effekte von LED-Flackern, wenn die PWM-Frequenzen zwischen 100 Hz und 400 Hz liegen, negative Einflüsse auf Menschen haben können. Sogar die Gefahren von Stroboskopeffekten, welche aufgrund von PWM-Flackern auftreten, können bis zu einer Frequenz von 2.500 Hz auftreten – einer Frequenz in der das menschliche Auge das Flackern nicht mehr erkennen kann. Bei einem 20-Hz-PWM-Display ist das Flackern aber für alle Nutzer eindeutig sichtbar.

Was ist die Lösung?

Eine Art Patchwork-Lösung wäre, den Bildschirm immer bei maximaler Helligkeit zu nutzen, um somit PWM zu vermeiden. Da PWM nur unter 100 % und über 0 % verwendet wird, kann ein Display bei 100 % Helligkeit selbst bei geringer PWM-Frequenz keine Schäden anrichten. Es ist auch möglich, das Kontrastverhältnis und die Farben in der eigenen Grafikkarten-Software (Nvidia Control Panel, AMD Catalyst Control Center oder Intel Graphics Control Panel, je nachdem, welche Grafikkarte im Laptop verwendet wird) so umzustellen, dass der Bildschirm auch bei maximaler Helligkeit dunkler erscheint. Allerdings verschlechtert dies den Kontrast und der positive Effekt von geringerer Helligkeit auf die Akkulaufzeit geht auch verloren. Das ist also keine optimale Lösung, um die Helligkeit zu reduzieren. 

Die andere Lösung wäre, dass Display-Hersteller genauer darauf achten, die PWM-Frequenz in allen Bereichen zu verbessern. Weiterhin sollten sie versuchen, Displays zu produzieren, die Usern keine Probleme bereiten. In den beiden Studien von Retro-PC-Mania und Dial GmbH wurden ab einer PWM-LED-Frequenz von 3.000 Hz keine Augenprobleme mehr festgestellt. Leider haben End-Nutzer keine Kontrolle über diese Möglichkeit – sie ist aber die einzige wirkliche Lösung für User, die von PWM beeinträchtigt werden. Glücklicherweise verwenden mehr und mehr Geräte höhere PWM-Frequenzen – so zum Beispiel das Gigabyte Aero 15 FHD mit einer PWM-Frequenz von 26 KHz (26.000 Hz), was für niemanden mehr ein Problem sein sollte. Das ist aber bei weitem noch nicht der Standard für Displays. Bis dahin hilft Ihnen vielleicht unsere Liste von Smartphone-, Tablet- und Notebookdisplays und ihren gemessenen PWM-Frequenzen, die Sie hier finden.

Schlussfolgerung

PWM wird heutzutage in jeder Art von elektronischem Gerät eingesetzt, und es ist fast unmöglich der Technologie in einem modernen Gerät zu entkommen. Grundsätzlich ist PWM nichts Schlechtes, der schlechte Einsatz der Technologie bei Bildschirmen kann aber zu wirklichen Gesundheitsproblemen bei Nutzern führen. Hoffentlich arbeiten Display-Hersteller in Zukunft an einer Verbesserung der Situation. Vor allem bei Notebook-Displays sind die PWM-Frequenzen im Vergleich zu denen von Desktop-Bildschirmen und sogar Smartphone-Displays eher suboptimal. Wir würden uns freuen, wenn alle Bildschirme in naher Zukunft eine ähnlich gute Qualität erreichen könnten.

Teilen Sie diesen Artikel um uns zu unterstützen. Jeder Link hilft, ob im privaten Blog, Foren oder per social Media!
> Notebook Test, Laptop Test und News > Tests > Notebook Testberichte > Warum wir von Pulsweitenmodulation (PWM) Kopfweh bekommen
Autor: Christian Reverand, 20.12.2017 (Update:  3.01.2018)