How a decade resistance box works and how to build one

In this blog post I will explain how a decade resistance box works and will give a tutorial on how to build your own for less than 50€.

A decade resistance box is a precisely adjustable resistance and thus a usefull tool for testing and troubleshooting.

How it works

Inside a decade resistance box several resistors are connected by a mechanical switch. With each switch the resistor values go up a decade (hence the name). Turning one of the switches will put another resistor of that decade in series allowing you to precisely dial in any resistance value you need. Therefor each decade requires a rotary switch and at least 9 resistors of the same value. When using push-button switches a binary system of resistor values can be used to reduce the number of switches and resistors.

The outer contacts of the rotary switches are connected with resistors. The first position is also the input terminal and the wiper contact is the output of each stage. A 3 kΩ resistor can be realised by turning the switch to the 4th position and thus putting three 1 kΩ resisotrs in series. By combining several switches with different resistance decades almost any resistance can be achieved.

When using very small resistances the resistance of the switches needs to be taken into account.

 

Materials needed for a decade resistance box

I built a decade resistance box with 8 stages ranging from 100 mΩ to 10 MΩ. When I bought all my materials only 12-pole rotary switches where available. Also I got a bulk discount for buying at least 10 resistors. That’s why my decade resistance box has values from 0 to 10 for each decade.

I used series MF0 YAGEO resistors with tolerances of 0,1%, maximum powerd dissipation of 0.6 W and a temperature coefficient of 25 ppm/K.

For the 100 mΩ and 1 Ω ranges I used power resistors with higher tolerances to be able to use my decade resistance box as load. The VITROHM resistors have tolerances of 5% and a maximum power dissipation of 2 W with a temperature coefficient of 1000 ppm/K.

The switches I used are LORLIN 12-pole rotary switches with print contacts. They are specified with a contact resistance of less than 1 mΩ and can switch AC and DC loads up to 250 V.

I decided to use 4 mm terminal posts and put everything into a TEKO 362 desk type housing.

If you want to build this decade resistance box you can get all the materials here.

Building a decade resistance box

Building a decade resitance box is pretty simple. You just need to solder the resistors for each decade to the outer contacts of the switches. The easiest way to do this is soldering the resistors standing on top of the switches in between two of the outer contacts of the switch. This reduces cable or trace length to a minimum. It is also possible to mount the switches on a PCB and use SMD resistors. The switches won’t fit into stripboard.

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Top view of the switch assembly
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Side view of the switch assembly

If all of the resistors are connected to the switches they can be mounted to the front panel. For drilling the holes I recommend using a stepped drill bit. When using regular drills make sure to start with a small diameter and go up bit by bit until you reach the needed diameter.

Once the switches are mounted to the front panel you can start connecting the switches with wires. The first pin of each switch needs to be connected to the wiper contact of the next switch. To reduce wire resistance use AWG 17 or lower. I used AWG 13 wire I had lying around. As a last step you can connect the terminal posts. I used third terminal for being able to connect only the 100 mΩ and 1 Ω range.

Gesamtansicht der geöffneten Widerstandsdekade
Inside view of the decade resistance box
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Back of the front panel shows the wire connections

Funktion und Aufbau einer Widerstandsdekade

In diesem Artikel erkläre ich die Funktionsweise einer Widerstandsdekade. Anschließend gibt es eine einfache Anleitung für den Aufbau einer Widerstandsdekade für weniger als 50€.

Eine Widerstandsdekade ist ein in weiten Bereichen einstellbarer Widerstand. Daher ist sie ein nützliches Werkzeug beim Auslegen und Testen von Schaltungen.

Funktionsweise einer Widerstandsdekade

In einer Widerstandsdekade sind einzelne Widerstände über Schalter miteinander verschaltet. Von Schalter zu Schalter steigen die Widerstandswerte in Dekaden an (daher der Name). Mit jeder Schalterposition wird ein weiterer Widerstand der entsprechenden Dekade in Reihe geschaltet. Daher werden für jede zu realisierende Dekade ein Schalter und mindestens 9 Widerstände benötigt. Wenn man die Widerstände geschickt verschaltet und einfache Tast-Schalter einsetzt, kann man auch mit weniger auskommen.

Die Kontakte des Drehschalters werden untereinander mit den Widerständen verbunden. Die erste Schaltposition ist auch gleichzeitig der Eingang und der Ausgang ist der Schleifkontakt. Mit jedem Weiterdrehen des Schalters wird somit ein weiterer Widerstand in Reihe geschaltet. So entsteht z.B. ein 3 kΩ Widerstand durch das Drehen des Schalters auf die 4. Position. Dann liegen zwischen Eingang und Schleifkontakt 3 mal 1 kΩ in Reihe. Durch die Kombination mehrerer Stufen lassen sich beliebige Widerstände einstellen.

Bei kleinen Widerstandswerten ist darauf zu achten, dass der Innenwiederstand der Schalter für große Abweichungen sorgen kann.

Benötigte Materialien

Ich habe mich bei meiner Widerstandsdekade für 8 Stufen mit Widerstandswerten von 100 mΩ bis 10 MΩ entschieden. Da zum Zeitpunkt meiner Bestellung nur 12-polige Drehschalter verfügbar waren, habe ich 10 Widerstände pro Dekade bestellt und kann so Werte von 0 bis 10 einstellen. Je nach Distributor gibt es auch bereits ab 10 Widerständen Mengenrabatt.

Für meinen Aufbau habe ich hauptsächlich YAGEO  Widerstände verwendet. Die Baureihe MF0 gibt es in der Toleranzklasse 0,1% bei einer Leistung von max. 0.6W und einem Temperaturkoeffizenten von 25 ppm/K. Die Widerstände sind Spannungsfest bist 350V.

In den Bereichen von 100 mΩ und 1 Ω habe ich Leistungswiderstände mit größeren Toleranzen eingesetzt, um die Widerstandsdekade auch als Last einsetzen zu können. Hier kamen VITROHM Widerstände mit einer Toleranzklasse von 5% und Leistungen von 2 W zum Einsatz. Der Temperaturkoeffizient liegt bei 1000 ppm/K.

Als Schalter habe ich LORLIN Stufenschalter mit 12 Polen und Printkontakten verwendet. Diese Schalter sind mit einem Innenwiderstand von <1 mΩ spezifiziert und spannungsfest bist 250V.

Eingebaut habe ich die Widerstandsdekade in ein TEKO 362 Pultgehäuse.

Zum Anschluss der Widerstandsdekade werden Anschlussklemmen oder Buchsen benötigt. Ich habe mich für 4mm Laborbuchsen entschieden.

Wer die Widerstandsdekade nachbauen möchte kann sich hier den passenden Warenkorb bei reichelt.de bestellen.

Aufbau der Widerstandsdekade

Der Aufbau der Widerstandsdekade ist sehr einfach. Man muss an jeden der Schalter die Widerstände so anlöten, dass sie jeweils zwei Außenkontakte verbinden. Dazu bietet es sich an die Widerstände stehend auf die Schalter zu löten. Dadurch können Leitungslängen minimiert und der Aufbau klein gehalten werden. Alternativ können die Schalter auch auf einer Platine montiert werden, passen jedoch nicht auf Lochrasterplatinen.

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Aufbau der Schalter, Draufsicht
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Aufbau der einzelnen Schalter, Seitenansicht

Wenn alle Schalter mit Widerständen bestückt sind, können sie probeweise in der Frontplatte montiert werden. Dazu sind entsprechend große Löcher nötig. Die Aluminiumplatte lässt sich leicht mit einem Stufenbohrer bohren. Daher sollte man bei der Verwendung normaler Bohrer die Löcher Schritt für Schritt vergrößern.

Sind die Schalter in der Frontplatte montiert können die Verbindungskabel abgemessen und eingebaut werden. Dazu muss man den jeweils ersten Pin eines Schalters mit dem Schleifkontakt des nächsten verbinden. Damit kein zusätzlicher Widerstand entsteht, sollte man Litze oder Draht mit ausreichendem Querschnitt benutzen. In meinem Fall die etwas überdimensionierte 2,5 mm²-Litze aus der Restekiste. Abschließend die Anschlüsse mit dem verbleibenden Schleifkontakt und dem ersten Kontakt des ersten Schalters verbinden. Um die 100 mΩ und 1 Ω Stufen getrennt von den übrigen Nutzen zu können, habe ich eine dritte Anschlussbuchse verbaut.

Gesamtansicht der geöffneten Widerstandsdekade
Gesamtansicht der Widerstandsdekade von innen
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Innenansicht der Widerstandsdekade von oben