Colani's PI, Arduino & Home Domotica

Hoe kan een Chinese fabrikant een vijf decaden weerstand decaden box voor één tientje aanbieden? Wij kochten er twee, sloopten ze en ontdekten het geheim van deze lage prijs. Nadien modificeerden wij ze tot écht bruikbare apparaten.

Achtergrond-informatie: weerstand decaden boxen

Onmisbaar bij het zélf knutselen aan schakelingen
Als u zélf analoog ontwerpt is een methode om snel een weerstand te kunnen wijzigen in een schakeling erg nuttig. Op die manier kunt u bijvoorbeeld een versterkertrap experimenteel goed instellen zonder dat u moeilijke berekeningen moet uitvoeren of een ingewikkeld en duur simulatie-programma moet inschakelen. Voor dat snel wijzigen van een weerstand is een decaden box het vaakst toegepaste hulpmiddel. Zo’n box bestaat uit een aantal geijkte draaischakelaars waarmee u een weerstand stapsgewijs kunt verhogen of verlagen met bijvoorbeeld een resolutie van 10 Ω. Beweert uw meetapparatuur dat de instelling van de trap goed is, dan kunt u uit de standen van de draaischakelaars de waarde van de weerstand aflezen en de box vervangen door een vaste weerstand.

Even handig bij brugmetingen
Als u wel eens experimenteert met brugschakelingen, zoals die van wheatstone, is het bezit van een weerstand decaden box vrijwel onmisbaar. Met zo’n box in een van de diagonalen van de brug kunt u die netjes afregelen en de waarde van de geschikte weerstand van de box-schakelaars aflezen.

Wat in de handel is, is vrij duur
Helaas zijn de decaden boxen die in de handel zijn vrij duur voor hobby-gebruik. In de onderstaande foto ziet u bijvoorbeeld model 3265 van PeakTech, waarmee u een weerstand kunt selecteren tussen 1 Ω en 11,11111 MΩ met een resolutie van 1 Ω en een tolerantie van ±5 %. Deze box kost ongeveer € 140,00.

Na lang zoeken hebben wij een bouwpakketje van een decaden box gevonden bij Sparkfun. Dit bouwpakketje KIT-13006 kost slechts ongeveer $ 25,00 en u kunt er een weerstand tussen 10 Ω en 999,99 kΩ mee instellen met een resolutie van 10 Ω en een tolerantie van ±5 %. Het nadeel van dit pakket is dat het niet in een behuizing zit en dat het niet erg gemakkelijk is om rechtstreeks bij dit Amerikaans bedrijf te bestellen vanuit Europa. Het bouwpakketje wordt echter ook geleverd door Digikey dat er € 41,80 voor vraagt.

Het schema van één weerstand decade
In de onderstaande figuur is het schema van één decade uit zo’n box getekend. Iedere decade bestaat uit de serieschakeling van negen identieke weerstanden met een waarde van 1 Ω, 10 Ω, 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ of 1 MΩ. Met de schakelaar S1 kunt u contact maken met de knooppunten tussen de weerstanden. In de getekende stand van de schakelaar is de decade ingesteld op een weerstand van 3 kΩ.

Het voordeel van de serieschakeling van de weerstanden is dat de tolerantie van de serieschakeling in vrijwel alle gevallen kleiner is dan de tolerantie van de individuele weerstanden. Als de individuele weerstanden een tolerantie hebben van ±5 % zal het zelden tot nooit voorkomen dat alle weerstanden uit de serieschakeling een identieke tolerantie hebben. In de praktijk heeft de ene een positieve afwijking van 2 %, de volgend een negatieve afwijking van 3 %, etc. Een deel van de negatieve afwijking wordt gecompenseerd door de positieve afwijking en de serieschakeling van beide weerstanden is nauwkeuriger dan de individuele weerstanden.

Het Chinese alternatief: model 23022

Kennismaking met model 23022
Door diverse Chinese aanbieders wordt een spotgoedkope weerstand decaden box aangeboden voor prijzen vanaf iets meer dan een tientje. En dat vaak met gratis bezorging! Wij bestelden twee exemplaren bij de ‘Tools Drop-Ship Store’ op AliExpress. Deze box, waarvan de echte fabrikant niet openbaar wordt gemaakt en die alleen bekend is onder de code ‘23022’, zit in een stevige zwarte behuizing van 160 mm x 120 mm x 60 mm en weegt 302 g. Met de vijf forse draaiknoppen kunt u de weerstand instellen tussen (in theorie) 0,1 Ω en 9.999,9 Ω.
Helaas zijn er geen 4 mm banaanstekkerbussen aanwezig, maar schroefconnectoren waaronder u een draad moet klemmen. Gelukkig zijn die zonder problemen te vervangen door 4 mm stekkerbussen, zodat u de box via de standaard meetsnoeren met 4 mm banaanstekkers kunt aansluiten.
De vijf draaischakelaars zijn, dank zij de forse knoppen, soepel te bedienen en klikken duidelijk in hun standen.
Geen negatief woord te verzinnen over het uiterlijk van het apparaatje!

De levering
De box wordt geleverd in een kartonnen doosje en met een handleiding in het Chinees.

De specificaties volgens de leverancier
– Weerstandsbereik: 0 Ω ~ 9.999,9 Ω
– Resolutie: 0,1 Ω
– Tolerantie: ±1,0 %
– Restweerstand bij instelling op nul: < 0,03502 Ω – Vermogen: 0,5 W – Isolatie tussen schakelaars en behuizing: > 50 MΩ
Dat zijn specificaties die weliswaar professioneel zijn te noemen maar die wij, tot ons ongelijk wordt bewezen, met een flinke korrel zout tot ons nemen.

Het interne van model 23022
De frontplaat zit met vier lange schroeven vast in de behuizing. Deze zijn via de achterzijde te verwijderen. Een van de oorzaken van de lage prijs wordt onmiddellijk duidelijk. Men heeft geen dure standaard draaischakelaars toegepast, maar gekozen voor een systeem waarbij de schakelaarcontacten geïntegreerd zijn in het printontwerp. Over de circelvormige koperen track’s glijden metalen contactbruggen die rond draaien als u aan de knoppen van het apparaat draait. Dit lijkt in eerste instantie een zeer onbetrouwbare constructie, maar vergeet niet dat vrijwel alle multimeters die een grote draaischakelaar hebben om de te meten grootheid in te stellen op een identieke manier werken.
Het is duidelijk dat de schakelaars twee ‘moedercontacten’ hebben en dat wij niet te maken hebben met een 1×10-standen schakelaar maar met een tien-standen schakelaar waarvan vijf standen contact maken met het ene moedercontact en vijf andere standen contact maken met het tweede moedercontact.
Er valt weinig logica te ontdekken in de manier waarop de track’s op de print zijn aangebracht en nog minder in de diverse breedtes van deze sporen. Het ontwerp van de print laat in ieder geval geen professionele indruk achter.

De klikstanden van de schakelaars
Valt nog te onderzoeken hoe de schakelaars zo duidelijk in hun standen klikken. In de onderzijde van de ronde schijven rond de knoppen van de schakelaars is een ronde groef aanwezig waarin tien putjes zijn geboord. Bij het draaien aan de knop valt een metalen kogeltje in deze putjes. Dit kogeltje kan nergens ander heen, want het zit klem tussen een identiek putje in de deksel van de behuizing en de groef en putjes aan de onderzijde van de knop.
Die constructie zorgt er bovendien voor dat de knop van de schakelaar naar boven wordt geperst, een actie die in het apparaat ervoor zorgt dat de sleepcontacten tegen de print worden geduwd.
Een goedkope en slimme oplossing! Tóch hadden wij liever gezien dat er minstens twee van die kogeltjes aanwezig waren. Dat zou de lange-termijn betrouwbaarheid van deze constructie zonder meer ten goede komen.

Details van één schakelaar
In de onderstaande foto ziet u een detailopname van een van de vijf schakelaars. U ziet op de koperen track’s duidelijk de sporen van de punten van de draaibare sleepcontacten. Wat verder opvalt is dat er slechts vijf uiterst kleine SMD-weerstandjes aanwezig zijn die gesoldeerd zijn tussen de printsporen. Aan de afmetingen te zien zijn die weerstandjes van het type 3216 met als afmetingen 3,2 mm bij 2,5 mm en een vermogen van 1/4 W. Het gespecificeerde vermogen van 0,5 W klopt dus niet! Vier van die weerstandjes hebben een waarde van 1R00, de vijfde van 4R99 (of uiteraard tienvouden daarvan). De waarde 4,99 komt alleen voor in de E96 en E192 reeksen. Wij veronderstellen dus dat er inderdaad weerstandjes met een tolerantie van ±1,0 % worden toegepast.

Het schema van één decade
In de onderstaande figuur hebben wij het schema van één decade uitgetekend. Slim hoe de ontwerpers zelfs op de uiterst goedkope SMD-weerstandje hebben weten te bezuinigen! Vijf stuks in plaats van negen!

Vervangen van de aansluitconnectoren
Zoals reeds geschreven wordt model 23022 geleverd met twee schroefconnectoren waaronder u een draad moet klemmen. Wij adviseren u deze te vervangen door normale 4 mm banaanstekkerbussen. Dat gaat heel eenvoudig. In de onderstaande foto ziet u de aanwezige schroefconnectoren boven en de vervangende 4 mm banaanstekkerbussen onder. De schroefdraad is identiek, de boutjes zijn identiek, ja zelfs het aanwezige soldeerlipje is identiek. Even losschroeven, vervangen en weer vastschroeven. Klaar!

De nauwkeurigheid gemeten
Uiteraard is de belangrijkste vraag of zo’n goedkope decaden box een te vertrouwen weerstandsinstelling levert. Wij hebben de weerstand van beide door ons gekochte boxen met de vier-draad methode gemeten met onze referentiemeter 8842A van Fluke. De resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel.

Zoals te verwachten is, is de bij de specificaties gegeven nul-weerstand van 0,03502 Ω niets meer of minder dan een natte droom van de fabrikant. Zo’n lage waarde zal zelfs bij de duurste boxen nauwelijks haalbaar zijn en dus zeker niet bij zo’n simplistische constructie als een contactbrug die over koperen niet eens vergulde track’s op een print glijdt. De grote procentuele afwijking bij een instelling op 1,000.0 Ω valt volledig te verklaren door de hoge nul-weerstand van 300 mΩ. Hoe hoger u de weerstand instelt, hoe kleiner de invloed van die nul-weerstand uiteraard wordt. De gemeten gemiddelde procentuele afwijking bij instellingen van meer dan 100 Ω is zonder meer uitstekend te noemen.

Twee model 23022 weerstand decaden boxen gemeten.

Instelling	Decaden box 1	Decaden box 2	Gemiddelde afwijking
0,0000 Ω	00,3251 Ω	00,3125 Ω	—-
1,0000 Ω	01,3008 Ω	01,3345 Ω	31,7 %
10,000 Ω	10,4517 Ω	10,3808 Ω	4,16 %
100,00 Ω	100,352 Ω	100,205 Ω	0,28 %
1,0000 kΩ	0,99841 kΩ	0,99874 kΩ	0,14 %
9,9999 kΩ	09,9585 kΩ	09,9517 kΩ	0,45 %

Onze conclusie over deze weerstand decaden box

Soms kunnen wij de beslissingen van ontwerpers van elektronica producten maar moeilijk begrijpen. Dat geldt zeker voor deze weerstand decaden box.
Waarom vermeldt iemand een volstrekt ongeloofwaardige waarde als een nul-weerstand < 0,03502 Ω bij de spec’s, terwijl iedereen die ook maar iets van elektronica afweet beseft dat dit absolute kolder is?
Waarom de ontwerpers gekozen hebben voor een laagste decade van 0,1 Ω tot 0,9 Ω is ons ook een raadsel. Dit bereik gaat immers compleet verloren in de nul-weerstand van de schakelaars. Ook het bereik van 1 Ω tot 9 Ω wordt door de hoge nul-weerstand zo aangetast dat het praktisch nut verwaarloosbaar is. Veel verstandiger zou het zijn geweest als de ontwerpers van dit product het bereik met een factor honderd hadden verhoogd. Een resolutie van 10 Ω op de instelling van een weerstand is in vrijwel alle gevallen meer dan goed genoeg. Het voordeel is dat het hoogste bereik geen 9,999.9 kΩ is maar een veel bruikbaarder 999,99 kΩ.

De decaden box modificeren

Een handiger bereik
Het bereik van 0,1000 Ω tot 9,9999 kΩ is, zoals geschreven, nogal onpraktisch. Vandaar dat wij onze twee exemplaren hebben omgebouwd door de mini-SMD weerstandjes te vervangen door zwaardere exemplaren en bovendien alle waarden te vermenigvuldigen met honderd. Er ontstaat dan een decaden box met een bereik van 10,000 Ω tot 999,99 kΩ en dat is uiteraard veel praktischer. Het resultaat wordt een nuttige aanwinst voor uw hobby-lab en dat voor een spotprijsje!

De weerstandjes
Wij hebben bij het Duitse bedrijf Reichelt Elektronik een set metaalfilm weerstanden van Yageo besteld met een tolerantie van ±1,0 % en een vermogen van 0,6 W. Die kosten slechts € 0,11 per stuk, u hebt er per decaden box 25 nodig wat de totale extra investering op € 2,75 brengt!

De bestelcodes van de weerstandjes.

Type	Omschrijving	aantal	prijs per st.	Totaal
METALL 100K	Metaalfilmweerstand 100 K-Ohm	8	€0,11	€0,89
METALL 4,99K	Metaalfilmweerstand 4,99 K-Ohm	2	€0,11	€0,22
METALL 499	Metaalfilmweerstand 499 Ohm	2	€0,11	€0,22
METALL 49,9	Metaalfilmweerstand 49,9 Ohm	2	€0,11	€0,22
METALL 10,0	Metaalfilmweerstand 10,0 Ohm	8	€0,11	€0,89
METALL 100	Metaalfilmweerstand 100 Ohm	8	€0,11	€0,89
METALL 1,00K	Metaalfilmweerstand 1,00 K-Ohm	8	€0,11	€0,89
METALL 10,0K	Metaalfilmweerstand 10,0 K-Ohm	8	€0,11	€0,89
METALL 49,9K	Metaalfilmweerstand 49,9 K-Ohm	2	€0,11	€0,22
METALL 499K	Metaalfilmweerstand 499 K-Ohm	2	€0,11	€0,22

SMD-weerstanden verwijderen, axiale weerstandjes solderen
Natuurlijk moet u eerst de SMD-weerstandjes los solderen en vervangen door de axiale soortgenoten. De werkzaamheden aan één decade ziet u in de onderstaande foto.

De nieuwe meetresultaten
Na het vervangen van alle weerstanden hebben wij uiteraard weer een test uitgevoerd, waarvan de resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel. Om de een of andere reden zijn de nulweerstanden van beide boxen flink gestegen van ongeveer 0,3 Ω naar ongeveer 0,8 Ω. De grote fout bij instelling op 10,000 Ω is uiteraard daardoor te verklaren. Voor hogere weerstandswaarden voldoet de box uitstekend met procentuele afwijkingen die veel lager zijn dan de ±1 % van de individuele weerstandjes.

De meetresultaten van de gemodificeerde boxen.

Instelling	Decaden box 1	Decaden box 2	Gemiddelde afwijking
0,0000 Ω	000.872 Ω	000.829 Ω	—-
10,000 Ω	010.868 Ω	011.049 Ω	9,58 %
100,00 Ω	100.866 Ω	101.374 Ω	1,12 %
1,0000 kΩ	1.00102 kΩ	1.00294 kΩ	0,20 %
10,000 kΩ	09.9787 kΩ	09.9597 kΩ	0,31 %
100,00 kΩ	100.528 kΩ	100.651 kΩ	0,59 %
9,9999 kΩ	1000.94 kΩ	1001.35 kΩ	0,12 %

Bron: verstraten-elektronica.blogspot.com

---

Ondersteun mijn website’s, kanaal en inhoud en mijn voortdurende inspanningen via Patreon:
https://patreon.com/Colani

Suc6
Terry van Erp