Les voltmètre à tubes aussi appelés VTM ou VTVM pour Vacuum Tube Voltmeter sont les ancêtres de nos multimètres digitaux. Certes moins performants que le multimètre premier prix actuel, ils font partis de l'histoire de l'électronique moderne.

C'est en restaurant un modèle Eico 221 que je me suis intéressé à son principe fonctionnement, et je vais tenter de vous de l'expliquer.

1) Principe de fonctionnement d'un VTM

1.1) Mesure d'une tension continue

On suppose que l'on dispose d'une assez haute tension pour l'alimentation pour le circuit de mesure. Ce qui est généralement produit par un tube à double diode de redressement double alternance (comme un tube 6X5 pour l'EICO 221 ou une EZ80 pour les équipements plus anciens) avec un condensateur de lissage de forte capacité.

Le principe de fonctionnement de ce voltmètre électrique à tubes est basé autour du tube V2 (cf. schéma ci-dessous) qui est une double triode. Les deux triodes sont identiques et alimentées avec une anode commune. Le VTM présente une impédance d'entrée de 10MΩ qui est la somme des résistances des R10 à R16. Une résistance peut être intégrée dans la sonde sur certains modèles, à titre d'exemple la sonde DC de l'EICO 221 à une résistance interne de 15MΩ en complément (soit une impédance d'entrée de 25MΩ environ). La tension mesurée est prise via la sonde, connectée au niveau de R10, passe sur le diviseur de tension pour tenir compte de l'échelle de mesure adaptée, puis par le filtre passe bas formé par R28-C4. Par ce canal, la tension à mesurer est appliquée sur la grille de la triode de gauche.



Le galvanomètre μA avec sa résistance R3, forme un voltmètre qui mesure la différence de potentiel entre les cathodes des triodes lorsque l’on applique une tension sur la grille de Vgg de la triode de gauche. La tension de la triode de droite Vgd est passive et ne sert qu’à compenser les dérives en fonction de la température et de la tension d’alimentation qui n’est pas stabilisée.

Le potentiomètre R1, permet de jouer simultanément sur les polarisations des deux triodes et d’équilibrer les deux courants anodiques.

La triode de droite a une tension de grille Vgd qui est fixée par R32 et C5. Or le courant d'anode est Ia tel que :
Ia=(μVg+Va)^3/2 avec μ le gain en tension de la triode

Comme Vgd et Va sont fixées, le courant Iad est fixe, et va servir de référence pour la mesure du galvanomètre.

Enfin, la mesure de tension continue réalisée par l'intermédiaire d'une sonde, sera appliquée sur la grille de triode de gauche. Par la relation précitée, le courant d'anode varie selon celle de la tension de grille. Ainsi, le galvanomètre mesure l'écart de courant apporté par la mesure avec celui de référence de droite. Il suffit alors de bien calculer le circuit pour mesurer avec un galvanomètre la tension continue. Le pont diviseur de tension des résistances R10 à R16 permettra d'adapter l'échelle des mesures.

Le commutateur CO2 est monté en double inverseur, il est utilisé pour mesurer des tensions positives ou négatives.

Un autre exemple : (L. Péricone)

1.2) Mesure d'une tension alternative

La mesure d'une tension alternative est assez simple, en effet elle consiste à transformer le signal sinusoïdale en une tension continue. Pour cela, le VTM utilise une double diode dédiée (tube V1) pour effectuer un redressement double alternance et d'un condensateur de lissage (C3). Le filtre passe bas formé par R28/C4 finira le travail de mise en continuité. Ensuite, on utilise le même principe que vu précédemment pour effectuer la mesure en adaptant les échelles.



Le potentiomètre R5 permet la calibration de la mesure du alternatif.

1.3) Mesure d'une résistance

Pour la mesure d'une résistance, le principe est le même que vu précédemment, on mesure la résistance en utilisant la loi d'ohm. La tension de mesure est fournie par une pile interne 1.5V.



Il est important d'avoir de bonne résistances pour le pont diviseur de tension. Des résistances de 0.5% ou 1% sont à privilégier si vous avez besoin de précision.

2) Restauration de l'EICO 221

J'ai commandé un VTM de la marque Eico modèle 221 sur Ebay à New York. Date de construction estimée à 1953. Pas trop chère car les frais de douanes et de transport sont horribles avec les Etats-Unis. Il était vendu "UNTESTED" autant dire HS même si on est pas l'abris d'une bonne surprise, sans notice et sans les sondes.

Il est arrivé super bien emballé par le vendeur, et dans un état extérieur très correct.

Attention, la première chose importante à faire est surtout de ne pas le brancher!!!! D'ailleurs, il fonctionne en 110V qui est la tension distribuée au USA. Ci-dessous le schéma de principe de ce VTVM que l'on trouve dans le manuel d'instructions.



Etape 1: Test des lampes
La première étape consiste à tester les trois lampes au lampemètre.


Etape 2: Remplacement des composants
La seconde étape consiste à remplacer tous les vieux condensateurs et les résistances carbones qui ont une fâcheuses tendances à devenir plus résistives.


Il est important de bien respecter les valeurs de résistances pour la partie diviseur de tension qui permet la mesure. J'ai opté pour des résistances de 1% de tolérance. Pour les condensateurs, attention de bien respecter les tensions de services. Enfin, il faut remplacer si nécessaire la pile de 1.5V nécessaire à la fonction ohmmètre.

Etape 3: Tests et calibration
Rien de difficile pour cet étape, il suffit de suivre le service manuel. Attention pour les mesures, la sonde DC dispose d'une résistance interne de 15MΩ. Il s'agit de bien de respecter ce point particulier au risque de tout cramer. Pour cela, j'ai simulé la sonde DC avec deux résistances en série (10MΩ+5MΩ).



Etape 4: Sondes et tests




Réalisation de sondes adaptées.



Tests et calibration avec une référence de tension et une référence ohmique.

Conclusion

Il s'agissait de ma première restauration d'un équipement aussi ancien. Et je suis très content du résultat, heureux de lui offrir une seconde vie. Ce VTVM à de la gueule comme on dit. Son côté vintage lui donne un style certain, et j'adore cela!

A vrai dire, je ne sais pas si je l'utiliserais souvent possédant des multimètres numériques bien plus précis. Mais pourquoi pas de temps à autres pour le fun. Si j'ai du temps, je le passerais en 220V.