Warum wir von Pulsweitenmodulation (PWM) Kopfweh bekommen

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?

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.

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. 

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.

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.

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. 

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.