頭燈大改造

-LED頭燈DIY-

壓力鍋

前言

頭燈對於各位山友是一個再熟悉不過的照明工具了，大家最常用的頭燈大半都是使用傳統的白熾燈泡（就是我們常用的那種裏面有一細小的燈絲，通電後會發出黃色調光芒的燈炮），配上二至三顆三號電池，大約用個5-9小時左右。為了少帶點電池，大家在山上可都是省吃儉用，能不開燈就不開燈，電力快用儘了還是就著昏黃的燈光湊和著用，更厲害的人則以各種理由向隊友借頭燈來用。真是怪招百出，呵！

不過現在可是21世紀了，拜半導體科技進步之賜，現在市面上已可見到以高亮度白光LED為照明源的頭燈出售。

售價大約由900∼1500元不等。LED發光的特色是低溫、省電，以此製成的頭燈只要很小的電池即可使用很久。令筆者印象深刻的一件事，是在去年(2001年)率隊縱走聖稜線時，一位隊友即是使用PETZL Tikka LED頭燈。記得僅在登山口時見到他老兄將三顆四號鹼性電池裝上，此後七天的日子一直到下山都未見他再換電池。令人驚訝於科技的進步。不過壓力鍋是一個節儉的人，下山後沒有跑去登山友買一個這樣的頭燈，反而跑去光華商場買零件DIY去了。

白光LED簡介

發光二極體(Light Emitting Diode,簡稱LED)是一種半導體發光元件，不同於傳統的白熾燈泡以大電流使燈絲熱到發光，LED僅須一極小之電流即可使半導體內的電子及電洞結合激發出相當的光亮。而且依據晶片種類及製程的控制，可以得到各種的單色光。至於發白光的LED，現時的產品大多是以藍光LED激發螢光粉發出黃色光，兩種光線混合之後就可在視覺上形成白光。也因為如此，白光LED所發出的光線很難控制為純白，大約是白中帶青，有點像棒球場上高壓水銀燈所發出來的光。如何發出純白的光，是目前各LED廠商所努力的重點，不過對於我們只是用於山野照明的用途則是沒啥關係了。一般照明用白光LED之規格大致如下（不同廠牌其規格特性會有些許差異）

 

項目

  

代號

  

量測條件

  

正常工作條件

  

極限值
 

工作電流

IF

 　

20mA

30mA以下
 

工作電壓

VF

IF = 20mA

3.5∼4.0V

  
 

工作溫度

Topr

   　

-20∼+80℃
 

亮度

IV

IF = 20mA

2300mcd

 　
 

照射角

2θ1/2

IF = 20mA

20°

 　

（資料來源：億光電子產品型錄）

目前世界上白光LED之技術領先者為日本日亞化學(Nichia)，據說所生產的LED硬是比別人白且亮。另外美國之安捷倫(Angilent)、歐洲之歐司朗(Osram)、西門子(Siemens)也有不錯之品質。而在台灣也有少數廠商如億光電子等進口藍光晶片再自行封裝成白光LED，但亮度及光色較不均一。山友們如果對白光LED技術想有更進一步之了解，可自行參考90年5月份第173期「工業材料雜誌」。

零件的採買

由於壓力鍋人住台北，故多半是到光華商場買材料，住台北以外的山友就自行找當地的電子材料行吧。

在光華商場對面之國際電子廣場地下一樓有很多電子材料行，可以容易買到高亮度白光LED，每個大約為70∼80元，而台製的LED可以便宜到50元以下。建議這個錢不要省，一分錢一分貨。由於屬高價物品，所以商家多半不會放在貨架上讓顧客挑選，得到櫃台向店員詢問才買得到。我這次改裝所用的LED尺寸是5mm(5ψ)，另有較小型之3mm(3ψ)尺寸，可適用於小型頭燈，但亮度略遜。

除了買LED之外，還得再買個二段式小開關及一個8.2Ω 0.5W的小電阻。幹什麼咧？作降壓電路，後面會提到。最後，到五金材料或建材行買一小罐白漆，要用的零件就備齊了。

頭燈改造過程
頭燈的品牌不同，內部構造也會有差異，不過大致上設計的原理都相通，各位可根據自己頭燈的構造作因應的修改。總之，有兩個目的要達到：1.LED照明模組放得進去；2.可以提供4.5V的電源（就是可以串聯三顆電池來用）。以下描述的頭燈，是一具有二十年以上歷史的日本國際牌大型頭燈BF-166。
它是採燈頭及電池盒分離設計，原本使用三顆一號電池串聯（所以電池盒就不必再做修改了）及3.8V的燈泡，燈具的設計處處可見防水的考量，可知其目的真的是被用來從事夜間戶外活動用。

  1. LED照明模組組裝：
    買回來的    LED先檢查外觀有無污損，線腳是否清潔。一切無誤後以牙籤沾點白漆將底部塗滿，這樣可以讓漏往底部的光反射到前面去。如果山友不在乎這一點點漏光，那也可以不必塗漆。
    準備一個與頭燈用的同規格的小燈泡，將玻璃燈泡部份破壞掉並將外殼內部清乾淨，底部的焊錫也要清除以便於安裝    LED。
    我們以製作一個    5ψ×4的模組來說明。將LED正極（腳比較長的一端）插入燈泡外殼內並由底部穿出，同時儘量將LED本體貼近外殼。一般來說裝3∼4個LED就差不多可以提供足夠的照明，而且再多恐怕整個模組太大會卡到頭燈的燈罩，山友們就看看自己頭燈的結構自行決定要裝幾顆吧。

    取一個小燈泡用工具破壞

    將內部清乾淨，尾部

    焊錫也要去掉

    裝上LED，注意正負極

    焊上電極，清除多餘線腳


    所有    LED都就定位後，使用焊錫及烙鐵將正極焊接在外殼的底部；負極焊接在外殼邊緣，並剪去多餘的線腳即大功告成。以下是壓力鍋試作出來的幾種模組：

    這個老頭燈反射鏡底部的開孔較一般頭燈大，故連實用型也可直接塞下去。但那個暴力型實在太大了，像本文所述    National BF-166這種大型頭燈，可以先取下燈罩及反射鏡，依次裝上反射鏡、LED模組、燈罩，硬是用上它。不然可能很少有頭燈裝得下它。至於山友們普遍使用的National BF-172、PETZL Micro等小型靈營頭燈，則只能用迷你型或基本型了。

  2. 降壓電路製作：
    組裝好的    LED模組可別急著裝到頭燈上試用，不然可是會發生慘劇的。因為白光LED的工作電壓上限約為4.0V（請見上表），而三顆鹼性電池串聯則有4.5V，如果是用新電池則更可高達4.7∼4.8V，要是這樣蠻幹，則通過模組上每個LED的電流可高達40mA以上，目前還沒有任何一家白光LED可以在如此條件下活著，這我可是有慘痛經驗的。那為什麼像PETZL Tikka這種頭燈可以用三顆鹼性電池而不燒毀？經過與公司有電子科系背景的同事討論的結果，推測這種頭燈內部一定有一降壓電路保護著。我們不曉得這些商品降壓的「撇步」為何，不過我倒是知道最簡單的降壓電路就是在迴路上串接一個電阻，而且這種方式消耗的能量最小。所以這回得修改頭燈本體的電路了。


如同上圖所示，經過實測只須在迴路中串接一個8.2Ω左右的電阻即可使流經實用型模組每個LED的電流控制在30mA以下。之所以多接了一個二段式開關則是為了保持彈性，可使頭燈在換用傳統燈泡及LED模組時便於切換。我們暫且將開關切至降壓電阻稱為LED模式(LED mode)；切離降壓電阻稱為普通模式(normal mode)。如果你決定從此不用傳統燈泡，那這個開關就可免了。不過有了這個開關就還有個密技可用，就是開始時將開關設定在LED模式，當電力消耗大半後，LED燈會漸漸不亮，電池組的電壓也差不多降到4V以下了，這時可將開關切回普通模式，這樣又可供應LED較多的電流，使它又亮了起來，延長了電池的使用時間。這可是市售的商品所做不到的。
不過對暴力型模組而言，由於並聯了多達七顆LED，其標準工作電流就有 140mA（以每顆LED通過20mA來算），而極限電流則高達210mA。對一般二號鹼性電池或更小的電池來說，在這樣高的工作電流下，電池的內阻效應（註）會使得電池發生大幅壓降。經實際測量，三顆電池串聯後的實際工作電壓降到只有3.8∼3.9V左右。也就是說，使用暴力型模組可以不需要使用降壓電阻。這使得暴力型模組的照明強度極端強悍，足以擔當夜間找路之照明。相似的情形也發生在迷你型模組上，至少在使用三號或以下的電池，也可以不需降壓電阻。
（註—電池內阻：電池是由內部發生化學反應產生電能的，電池可提供的電流大小與電池所用的化學材料及材料反應時之擴散特性有關。在工作電流很小的情形下，化學反應速率大約可以趕得上電流的供應，故幾乎沒有壓降的情形發生。但當工作電流增大，或是隨電力消耗使化學材料逐漸耗盡，反應速率就無法應付所須，就好比是在電池內部被串了一顆電阻一般，使得工作電壓及電流都小於理論值。）

效能測試

這該是大家最感興趣的部份了。把頭燈改成這樣，倒底有沒有比較亮？說省電又能省多少？我們作了以下幾項測試：

在此先要感謝中國文化大學大眾傳播系助理教授孫慶文博士的友情贊助，不僅提供暗房及儀器，還教授許多照明及視覺的理論，使得這些測試能順利進行。

  1. 照明特性比較
    我們在暗房中佈置了如下的測試環境

    佈置好後打開頭燈，先找出最明亮的中心點，測量其照度    (lux)，再依次遠離中心點並作測量而得到各種燈泡之照明度分佈。

    由測試結果可知，使用傳統燈泡其照明中心部位極為明亮，但只要稍微偏離中心點則強度急劇下降。而    LED模組之特性則恰恰相反，中心部位亮度不高，但偏離中心點，其強度僅呈緩和下降，這個現象在市售的LED頭燈也有。這是因為傳統燈泡是近似點光源向四面八方射出。而頭燈的反射鏡及燈罩也是因應這個特性而設計，使光線可以集中往正前方射出，於是在遠處的地上或壁上可形成一個明亮的光斑。但這些設計對LED卻發揮不了多大作用，因為LED具有相當的指向性，光線大部份都是由前方射出，僅有少量光線由側面漏出可為反射鏡所利用。但往前方射出之光束又不夠集中，照射角頂多可小到20∼15°，因此就形成前述的發散現象。

    發散不發散會差多少？我們可以算得出來的。

    設一頭燈之燈罩直徑為    5.8cm，LED之照射角為20°，則在一公尺(100cm)遠的距離下，其光線在平面上投影的面積如下：
    投影直徑    (R) = 5.8 + 2×100×tan(20°/2) = 41.1cm
    投影面積    (A1) = π×(41.1/2)2 =422.3π
    而假設光線可以完全不發散，則相同距離之投影面積(A0)即為
         A0 = π×(5.8/2)2 = 8.41π
    就同一光源且同一照射距離下，兩者之照明度比即為投影面積之反比，即
    散射    20°照射強度：不發散照射強度 = A0：A1 = 8.41：422.3 = 1：50.2
    而根據先前所測得之照明度，傳統燈泡中心部位為770lux；實用型模組為24.9lux，以此來反推，其實LED所發出來的光並不比傳統燈泡小。
    另外，人眼對亮度的感覺是呈現對數關係，亦即亮度增強為原來的數倍，在一般人看來只感覺亮度稍微增加而已。所以我們的測試結果以對數座標呈現，可以看出，雖然傳統燈泡在頭燈反射鏡的助威之下，照度為    LED模組的30倍以上，但我們看起來只感覺增加一倍而已。更不用說實用型及迷你型亮度的差異，人眼很難分辨出來。
    簡單地說，使用傳統燈泡可照得遠但範圍小；使用    LED模組照不遠但範圍大。
    此外，由測量的結果也可看出，    3ψ的LED亮度比5ψ的遜得多，不過由於體積小，硬塞了七顆也可使亮度達實用型模組的80%左右，實用價值仍高。而暴力型模組除了亮度上更強，且照明範圍更廣。經實際使用結果，雖不及鹵素燈泡照得遠，但仍可使人看清十幾公尺內的地面細節，而且由於照明範圍廣，比起一個明亮但集中的光斑更容易讓人看清周遭的地形地物，反而比傳統鹵素燈泡好用。

    使用暴力型模組的BF-166，照明性能優異．降壓電路改良為可變電阻，可自

    由調整亮度以因應不同需求
  2. 耗電特性測試
    關於這一部份，原本是打算找個可以測光兼自動記錄的儀器來記錄頭燈使用期間，因電池消耗所導致的亮度變化情形。否則以    LED這樣的省電特性，要用人工記錄可能得三天三夜不睡覺不作其他事，那不累垮才怪。不過，這樣的儀器不好找，而且還得接上電腦並寫些程式什麼的，也要長時間使用暗房，不是隨便在家裏就可以做的。因此，只好將測試內容簡化，僅測試其半衰期(T1/2 燈泡亮度減為初始亮度一半所須的時間)和四分之一衰減期(T1/4 燈泡亮度減為初始亮度1/4所須的時間)。嗯嗯…好數據不用多，一個抵十個(自我安慰中:p)
    先將燈罩四周用紙貼上，僅留中央一個小孔。把一具攝影用之手持式測光錶之測光部位緊貼這個小孔，並用膠帶固定即完成。測試時，每更換一種燈泡即換上一組新電池，儘量保持相同之初始條件。
    燈泡種類 傳統燈泡 實用型模組
    初電壓(V) 4.78 4.78
    初電流(mA) 290 83
    T1/2(hr) 4.13 44.55
    T1/4(hr) 6.67 71.13
    T1/4電壓(V) 3.61 3.09
    T1/4電流(mA) 250 7.6

(電源：Duracell 3號鹼性電池×3)
由以上結果可看出LED模組的省電效率是多麼的大，而且把電池的能量榨得多乾淨。難怪PETZL Tikka只使用四號鹼性電池，因為用不著更大的電池嘛！

結論及注意事項

  1. 現今的白光LED雖然仍有一些技術上的問題點（如光色不均、成本仍高），但確實已可應用於照明工具上了。
  2. 使用LED取代傳統燈泡，雖然由於光線發散的問題而照不遠，但依大部份山友們登山習慣來說，多半是白天登山晚上紮營休息，故頭燈幾乎都是在營地附近活動之用（如：紮營、炊事、上廁所等），因此LED頭燈的實用性仍很高。如果真的考慮到走夜路的狀況，則可將傳統燈泡當作備用以防萬一（這也是我要在降壓電路上多一個切換開關的目的）。不過LED燈也不是真的不能用在走夜路，3∼5公尺左右的距離還是看得很清楚的啦！
  3. 由於LED極端優異的省電特性，只須三顆3號鹼性電池就可在山上用上一個禮拜以上，而且是拼命地用、大大方方地用，還怕它用不完。所以以後即使長程活動也可以省下一些電池帶來的重量。而就環保的角度來看，少些廢棄電池也是好的。
  4. 以前考慮到燈泡會突然燒壞，故往往會帶一、兩個備用燈泡。而根據業界的評估，LED之使用壽命約為傳統燈泡的50-100倍，且每個LED模組是由多個LED元件組成，故要說所有LED同時壞掉幾乎不可能。萬一真的有一、兩個LED壞掉，仍不會完全喪失照明的功能，因此幾乎可以不用帶備用燈泡。
  5. 整體來說，使用LED燈有極高的效益，而且僅需國中程度的電工知識及一雙靈巧的手即可動手DIY，故這樣的改裝是值得的。
  6. LED有正負極之分，電源接反了是不會發亮的；傳統燈泡則沒有極性，不管電池正接反接都可以發光。不過壓力鍋檢視家裏大部份的頭燈、手電筒、營燈，不管是National或Toshiba或GAZ，都很一致地將燈泡底部設為正極，而外殼為負極。因此做好的LED模組應該可以一體適用於所有燈具。不過為了保險起見，山友們在改裝前還是先檢查自己頭燈的正負極設定吧。
  7. 在正常的工作情形下，LED模組幾乎不會發熱或只是輕微發熱，如果山友們改裝後的LED模組有明顯的發熱燙手情形，那就趕快關燈檢查，免得LED小命嗚呼。
  8. 這篇文章是以改造國際牌BF-166為主，這個頭燈的構造和現下山友們普遍使用的頭燈有許多的不同，故有些修改方法不見得能通用。而迷你型LED模組的製作方法也和實用型不太一樣，比較複雜些。其實壓力鍋手邊也有National BF-172這類大家常用的頭燈，而且也改裝成可以使用LED燈了。本來想將這方面心得也一併寫出，但怕會太亂，故留待後續發表。

感言

壓力鍋的父親生前就喜愛對一些登山裝備作些小修改，藉以提升其性能或增加使用的便利性。例如在Svea 123（一種老式汽油爐）套上導熱銅環，使其火力不輸現代的MSR；將六人蒙古包的營柱改為鋁合金使總重大減一公斤，比四人蒙古包重不了多少。而這個老頭燈曾經伴隨著父親走過無數的崇山峻嶺，外殼上的磨損、刮痕在在說明了它的歷練。如今，換上了高科技的零件，老頭燈有了不亞於現代頭燈的優異性能，於山上的黑夜中再度綻放光明。如同當年陪伴著父親，今後也將陪伴著我縱橫山林。僅以此次改造小小的成就獻給我的父親，也是我的登山導師 余世傑先生。

 

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