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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung eines Objektes, insbesondere einer optischen Komponente. Die Vorrichtung umfasst einen thermoelektrischen Kühler, eine Stromversorgungsschaltung, eine H-Brückenschaltung, gebildet aus vier Halbleiterschaltern und dem thermoelektrischen Kühler im Brückenzweig, wobei die H-Brückenschaltung mit der Stromversorgungsschaltung verbunden und dazu ausgelegt ist, die Richtung eines Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler umzuschalten, und eine Steuereinrichtung, vorgesehen zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der H-Brückenschaltung.
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Thermoelektrische Kühler (TECs) werden häufig zur Temperierung, insbesondere zur Temperaturstabilisierung von optischen Komponenten oder anderen temperatursensiblen Objekten verwendet. Die Funktion eines TEC basiert auf dem Peltier-Effekt. Damit ist der TEC dazu in der Lage, in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Stromflusses durch den TEC dem temperierten Objekt Wärme zuzuführen (Heizen) oder Wärme zu entziehen (Kühlen). Die Stärke des Stromflusses bestimmt die zugeführte bzw. entzogene Wärmemenge pro Zeiteinheit.
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1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Temperierung eines (nicht dargestellten) Objektes. Die dargestellte Schaltung umfasst einen thermoelektrischen Kühler TEC, der im Brückenzweig einer H-Brückenschaltung liegt. Der TEC wird aus einer (nicht dargestellten) Stromversorgungsschaltung, z.B. einem Netzteil, gespeist, die eine feste Betriebsspannung Ub bereitstellt. Die H-Brücke umfasst vier Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4. Davon sind jeweils zwei in Serie geschaltet. Die beiden Serienschaltungen der Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 sind zueinander parallel geschaltet. In der Praxis sind die Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 durch Feldeffekttransistoren (z.B. MOSFETs) gebildet. Die beiden in der 1 oberen Halbleiterschalter H1, H3, d.h. die eingangsseitigen Schalter der H-Brückenschaltung, sind mit der Stromversorgungsschaltung verbunden. An ihnen liegt die Betriebsspannung Ub an. Die beiden anderen, in 1 unteren Halbleiterschalter H2, H4 sind einerseits mit den Anschlüssen des TEC und andererseits mit Masse verbunden. Die H-Brückenschaltung ermöglicht es, den TEC aus einer einpoligen Stromversorgung zu speisen und dabei die Richtung des Stromflusses durch den TEC umzuschalten, je nachdem, ob der TEC das Objekt heizen oder kühlen soll. Die H-Brücke verbindet entweder durch den in 1 linken oberen Halbleiterschalter H1 den linken Anschluss des TEC mit der Stromversorgungsschaltung, d.h. legt diesen Anschluss auf die Spannung Ub, und den rechten Anschluss des TEC über den rechten unteren Halbleiterschalter H4 mit Masse (Heizen), oder durch den rechten oberen Halbleiterschalter H3 wird der rechte Anschluss des TEC auf Ub gelegt, während der linke Anschluss des TEC über den linken unteren Halbleiterschalter H2 mit Masse verbunden wird (Kühlen). Die vier Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 werden von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung, z. B. einem Mikrocontroller, gesteuert.
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Für die Temperierung des Objekts ist es außerdem erforderlich, die Stärke des Stromflusses durch den TEC einzustellen. Hierfür werden die Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 bei der bekannten Vorrichtung in einem Pulsdauermodulationsbetrieb (auch als PWM - „pulse-width modulation“ bezeichnet) angesteuert. Durch die Variation des Tastgrades der Pulsdauermodulation wird so die mittlere (d.h. die zeitlich gemittelte) Stärke des Stromflusses durch den TEC eingestellt. Die vier Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 schalten somit nicht nur die Richtung des Stromflusses um, sondern führen auch ein gepulstes Ein- und Ausschalten des Stromfluss durch, und zwar mit der durch die Pulsdauermodulation vorgegeben Taktung und Pulsdauer. Um Temperaturschwankungen des Objektes im Takt der Pulsdauermodulation zu vermeiden, sind bei der bekannten Vorrichtung zwei Siebschaltungen, jeweils bestehend aus Drosselspule und Kondensator, vorgesehen. In dem Brückenzweig der H-Brückenschaltung befindet sich auf beiden Seiten des TEC jeweils eine Siebschaltung, die dafür vorgesehen ist, das über den in 1 linken bzw. rechten oberen Halbleiterschalter zugeführte gepulste Spannungssignal zu glätten. Die bekannte Schaltung hat Nachteile, die insbesondere mit den erforderlichen Siebschaltungen zusammenhängen. Die Drosselspulen sind vergleichsweise teure und voluminöse Bauelemente. Außerdem haben die Drosselspulen einen vergleichsweise hohen Verlust. Ein nennenswerter Teil des Stromflusses wird in Wärme umgewandelt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Drosselspulen Störfelder verursachen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Temperierung mittels thermoelektrischem Kühler zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll die hohe Verlustleistung der bekannten Vorrichtung reduziert werden. Die Herstellungskosten sollen vermindert werden.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Stromversorgungsschaltung hinsichtlich der an der H-Brückenschaltung anliegenden Versorgungsspannung zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert steuerbar ist, wobei die Steuereinrichtung weiter dazu vorgesehen ist, die Stromversorgungsschaltung anzusteuern, um die Versorgungsspannung und somit die Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler zu stellen.
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Die Erfindung schlägt, mit anderen Worten, vor, dass anstelle der herkömmlichen, eine fixe Betriebsspannung abgebenden Stromversorgungsschaltung eine steuerbare Stromversorgungsschaltung zum Einsatz kommt. Damit kann die an der H-Brückenschaltung eingangsseitig anliegende Versorgungsspannung zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert variiert werden. Über die Variation der Versorgungsspannung kann somit der Stromfluss durch den thermoelektrischen Kühler zur gezielten Temperierung des Objektes gestellt werden, ohne dass es dazu einer Pulsdauermodulation bedürfte. Entsprechend können die Drosselspulen der im Stand der Technik in dem Brückenzweig der H-Brückenschaltung vorgesehenen Siebfilter entfallen. Die H-Brückenschaltung weist dementsprechend bei einer bevorzugten Ausgestaltung keine Speicherdrossel im Brückenzweig mehr auf. Die damit verbundenen Nachteile bestehen entsprechend nicht mehr. Die H-Brückenschaltung wird also jedenfalls in dem Bereich, in dem die Versorgungsspannung mittels der Steuereinrichtung variiert wird, nicht gepulst betrieben. Die H-Brückenschaltung dient ausschließlich zur Umkehrung der Richtung des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler, je nachdem, ob geheizt oder gekühlt werden soll. Dieser Gleichstrombetrieb hat den Vorteil, dass die Verlustleistung sehr gering ist und kaum Störfelder erzeugt werden.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung kann die Vorrichtung einen Temperatursensor aufweisen, der zur Erfassung der Temperatur des Objektes vorgesehen ist, wobei die erfasste Temperatur Regelgröße und die Versorgungsspannung Stellgröße eines Temperaurregelkreises der Vorrichtung sind. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung durch Variation der Versorgungsspannung der steuerbaren Stromversorgungsschaltung als Stellgröße zur Regelung der Temperatur des Objektes genutzt werden. Die Steuereinrichtung kann dabei als Regler fungieren, oder es kann ein separater Regler vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung weiter dazu vorgesehen, die Halbleiterschalter der H-Brückenschaltung nur bei eingestelltem Minimalwert der Versorgungsspannung in einem Pulsdauermodulationsbetrieb anzusteuern und so die (zeitbezogen) mittlere Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler zu stellen. Gängige hinsichtlich der Versorgungsspannung steuerbare Stromversorgungsschaltungen sind typischerweise nicht dazu in der Lage, die Versorgungsspannung zwischen dem Maximalwert und Null zu variieren. Meist ist die Variation der Versorgungsspannung nur zwischen dem Maximalwert und einem von Null verschiedenen Minimalwert möglich. Ist der einstellbare Minimalwert tatsächlich gleich Null, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vollständig, d.h. über den gesamten Stellbereich des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler, vorteilhaft im Gleichstrombetrieb arbeiten. Ist jedoch, was in der Praxis meistens der Fall sein wird, der erreichbare Minimalwert der Versorgungsspannung größer als Null, so kann zur Überbrückung des verbleibenden Bereiches zwischen dem Minimalwert und Null (und nur in diesem Bereich) ein Pulsdauermodulationsbetrieb zur Anwendung kommen. In dem Spannungsbereich unterhalb des Minimalwertes ist der Stromfluss durch den thermoelektrischen Kühler entsprechend gering. Da der thermoelektrische Kühler und auch das damit wärmeleitend verbundene, zu temperierende Objekt eine gewisse thermische Trägheit aufweisen, sind Schwankungen der Temperatur des Objektes aufgrund des gepulsten Stromflusses bei gleichzeitig sehr geringem mittlerem Stromfluss durch den thermoelektrischen Kühler zu vernachlässigen, auch wenn auf die im Stand der Technik vorgesehenen Siebfilter mit Drosselspulen im Brückenzweig der H-Brückenschaltung verzichtet wird. Auch kann mit vergleichsweise höheren Pulsfrequenzen (im kHz-Bereich) gearbeitet werden, so dass selbst eine geringe thermische Trägheit ausreicht, um Temperaturschwankungen zu minimieren. Bei der niedrigen Versorgungsspannung fallen auch etwaige durch den gepulsten Betrieb verursachte Störfelder nicht ins Gewicht. Bei höheren Versorgungsspannungen, d.h. oberhalb des Minimalwertes, bleibt es bei dem Gleichstrombetrieb, d.h. ohne Pulsdauermodulation.
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Im Zusammenhang mit der oben angesprochenen Temperaturregelung ist der Tastgrad der Pulsdauermodulation, d.h. das Verhältnis aus Pulsdauer und Periodendauer des gepulsten Stromflusses, zweckmäßig Stellgröße des Temperaturregelkreises. Der durch die Pulsdauermodulation veränderliche (zeitliche) Mittelwert des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler erlaubt eine präzise Regelung der Temperatur auch bei (sehr) kleiner Kühl- bzw. Heizleistung.
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Zur Überbrückung des Bereiches der Versorgungsspannung zwischen dem Minimalwert und Null kann alternativ ein der Stromversorgungsschaltung nachgeschalteter linearer Spannungsregler vorgesehen sein, wobei die Steuereinrichtung weiter dazu vorgesehen ist, den linearen Spannungsregler nur bei eingestelltem Minimalwert der Versorgungsspannung anzusteuern und so die Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler zu stellen. Bei dieser Ausgestaltung arbeitet die Vorrichtung auch unterhalb des Minimalwertes der Versorgungsspannung in einem Gleichstrombetrieb. Hierzu ist der lineare Spannungsregler zwischengeschaltet. Dieser verursacht oberhalb des Minimalwertes der Versorgungsspannung einen vernachlässigbaren Spannungsabfall. Er wird erst unterhalb des Minimalwertes aktiv, wenn ein Stromfluss durch den thermoelektrischen Kühler angefordert wird, der einer Versorgungsspannung kleiner dem Minimalwert entspricht. Die Richtung des Stromflusses wird auch unterhalb des Minimalwertes der Versorgungsspannung durch die H-Brückenschaltung gesteuert. Bei dem linearen Spannungsregler kann es sich z.B. um einen sogenannten LDO-Regler („Low Dropout“-Regler) handeln, der eine besonders geringe minimale Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung aufweist. Die Einstellung der Spannung erfolgt dabei mittels eines von der Steuereinrichtung angesteuerten Transistors, der in Reihe mit dem thermoelektrischen Kühler geschaltet ist.
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Im Zusammenhang mit der oben angesprochenen Temperaturregelung kann die von dem linearen Spannungsregler ausgegebene Spannung Stellgröße des Temperaturregelkreises sein, um auch bei niedriger Heiz- bzw. Kühlleistung präzise temperieren zu können.
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Zur Überbrückung des Bereiches der Versorgungsspannung zwischen dem Minimalwert und Null kann gemäß einer weiteren Alternative vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der Halbleiterschalter der H-Brückenschaltung Transistoren sind, wobei die Steuereinrichtung dazu vorgesehen ist, die Transistoren nur bei eingestelltem Minimalwert der von der Stromversorgungsschaltung ausgegebenen Versorgungsspannung jeweils mit einem analogen Steuersignal anzusteuern und so die Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler zu stellen. Durch die analoge Ansteuerung der Transistoren kann der Spannungsabfall an den wenigstens zwei Halbleiterschaltern und damit die Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler variiert werden. Dabei können die Transistoren bzw. die Halbleiterschalter so angesteuert werden, dass der thermoelektrische Kühler mit jedem (positiven oder negativen) Spannungswert zwischen dem Minimalwert der steuerbaren Versorgungsspannung und Null beaufschlagt werden kann. Somit ergibt sich insgesamt auch bei dieser Ausgestaltung ein Gleichstrombetrieb über den gesamten Bereich der Versorgungsspannung zwischen Null und dem Maximalwert. Die H-Brückenschaltung sorgt für die Umschaltung der Polarität und außerdem, in dem Spannungsbereich unterhalb des Minimalwertes, für die Stellung der Stromstärke.
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Auch bei dieser Variante kann im Zusammenhang mit der Temperaturregelung vorgesehen sein, dass das jeweilige analoge Steuersignal, mit dem die Transistoren angesteuert werden, Stellgröße des Temperaturregelkreises ist, um auch bei niedrigen Heiz- bzw. Kühlleistungen präzise kühlen zu können.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung umfasst die Stromversorgungsschaltung zur Einstellung der Versorgungsspannung einen Abwärtswandler. Dieser kann beispielsweise mit dem Ausgang eines Konstantspannungsnetzteils verbunden sein und die Ausgangsspannung des Netzteils nach Maßgabe des von der Steuereinrichtung zugeführten Steuersignals variabel zwischen dem Maximalwert, der typischerweise etwas niedriger als die Ausgangsspannung des Netzteils liegt, und dem Minimalwert herabsetzen. Geeignete übliche und kommerziell zu geringen Kosten verfügbare Abwärtswandler, z.B. sog. Buck-Konverter, sind schaltende Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler). Die Schalter (meist Transistoren) werden von einer Steuerung mit einer Frequenz im kHz- bis MHz-Bereich getaktet ein- und ausgeschaltet. Dadurch wird elektrische Energie aus dem Netzteil zur angeschlossenen Last, d.h. zu dem thermoelektrischen Kühler in der H-Brückenschaltung, transferiert. Dem Schalter des Abwärtswandlers ist typischerweise eine Anordnung aus Spule und Kondensator als Energiespeicher nachgeschaltet, der die Last in den Phasen, in denen der Schalter geöffnet ist, versorgt. Die Steuerung der Versorgungsspannung mittels des Abwärtswandlers erfolgt zweckmäßig durch einen integrierten Spannungsregler des Abwärtswandlers, wobei das dem Abwärtsregler zugeführte Steuersignal den Sollwert der Spannungsregelung vorgibt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Vorrichtung mit thermoelektrischem Kühler gemäß dem Stand der Technik;
- 2 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausgestaltung;
- 3 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung;
- 4 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer dritten Ausgestaltung.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen und die gleichen Begriffe verwendet.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen thermoelektrischen Kühler TEC, der im Brückenzweig einer H-Brückenschaltung HB liegt. Die H-Brückenschaltung HB ist durch vier Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 gebildet. Die Schalteranordnungen H1/H2 und H3/H4 sind parallel zueinander geschaltet und an ihrem Eingang (in der 2 oben) jeweils mit der Stromversorgungsschaltung SV verbunden. Die Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 werden von einer Steuereinrichtung SE (z.B. Mikrocontroller) angesteuert. Mittels geeigneter Ansteuerung der Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 kann die Richtung des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler TEC umgeschaltet werden, so dass der thermoelektrische Kühler TEC ein damit wärmeübertragend verbundenes Objekt (nicht dargestellt) wahlweise heizt oder kühlt. Bei der Stromversorgungsschaltung SV handelt es sich um einen Abwärtswandler, nämlich einen Buck-Konverter, der hinsichtlich der an der H-Brückenschaltung HB anliegenden Versorgungsspannung UM zwischen einem Maximalwert, der etwas unterhalb der Betriebsspannung Ub (z.B. 12 V) liegt, und einem Minimalwert (z.B. 0,6 V) steuerbar ist. Dabei ist die Steuereinrichtung SE dazu vorgesehen, die Stromversorgungsschaltung SV mittels eines Steuersignals Vctrl anzusteuern, um die Versorgungsspannung UM und damit die Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler TEC zu stellen. Die H-Brückenschaltung HB weist, anders als in 1, keine Speicherdrossel im Brückenzweig auf. Die damit verbundenen Nachteile bestehen entsprechend nicht. Die H-Brückenschaltung HB wird in dem Bereich, in dem die Versorgungsspannung UM mittels der Steuereinrichtung variiert wird, d.h. in dem Bereich zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert, nicht gepulst betrieben. Die H-Brückenschaltung HB dient ausschließlich zur Umkehrung der Richtung des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler TEC. Die Vorrichtung weist außerdem einen Temperatursensor TS auf. Dieser ist mit einem Regler R verbunden, der aus der Temperatur als Regelgröße und einem vorgegebenem Sollwert eine Stellgröße ableitet, die als Signal der Steuereinrichtung SE zugeführt wird. Diese stellt die Versorgungsspannung UM dann nach Maßgabe der Stellgröße, um die Temperatur des Objektes auf dem gewünschten Sollwert zu halten. Bei geringer Heiz- oder Kühlleistung, d.h. wenn der Minimalwert der Versorgungsspannung UM erreicht ist, stellt die Steuereinrichtung SE auf einen Pulsdauermodulationsbetrieb um. Die Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 werden dann gepulst angesteuert, um so die mittlere Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler TEC zu stellen. Dabei ist dann der Tastgrad der Pulsdauermodulation Stellgröße des Temperaturregelkreises. Die Ansteuerung der H-Brückenschaltung HB zur Umkehrung der Stromrichtung und zur Pulsdauermodulation ist in 2 durch die Angabe PWM+Dir angedeutet. Die Lösung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 eignet sich besonders für höhere und mittlere Heiz- und Kühlleistungen.
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Bei geringerer Heiz- bzw. Kühlleistung kann zur Überbrückung des Bereiches der Versorgungsspannung zwischen dem Minimalwert und Null alternativ ein der Stromversorgungsschaltung SV nachgeschalteter linearer Spannungsregler LDO vorgesehen sein. Dies ist in 3 dargestellt. Dabei ist die Steuereinrichtung SE (in 3 nicht dargestellt) dazu vorgesehen, den linearen Spannungsregler LDO nur bei eingestelltem Minimalwert der Versorgungsspannung U1 am Ausgang der Stromversorgungsschaltung SV mit dem zusätzlichen Steuersignal Vctrl2 variabel anzusteuern und so die Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler TEC zu stellen. Oberhalb des Minimalwertes der Versorgungsspannung U1 bleibt das Steuersignal Vctrl2 konstant, so dass der Spannungsabfall über dem linearen Spannungsregler minimal ist. Bei dieser Ausgestaltung arbeitet die Vorrichtung auch unterhalb des Minimalwertes der Versorgungsspannung in einem Gleichstrombetrieb. Hierzu ist der lineare Spannungsregler LDO, hier ein Low-Dropout-Regler, zwischengeschaltet. Dieser wird erst unterhalb des Minimalwertes der Versorgungsspannung U1 aktiv, d.h. wenn ein Stromfluss durch den thermoelektrischen Kühler TEC angefordert wird, der einer Versorgungsspannung kleiner dem Minimalwert entspricht. Die Richtung des Stromflusses wird auch unterhalb des Minimalwertes der Versorgungsspannung U1 durch die H-Brückenschaltung HB gesteuert. Der proportional zu dem Steuersignal Vctrl2 variable Spannungsabfall an dem Spannungsregler LDO ist die Differenz zwischen der an der H-Brückenschaltung anliegenden Spannung U2 und dem Minimalwert der Versorgungsspannung U1 am Ausgang der Stromversorgungsschaltung SV.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 liegt der lineare Spannungsregler LDO nicht, wie in 3, zwischen der Stromversorgungsschaltung SV und der H-Brückenschaltung HB, sondern zwischen der H-Brückenschaltung HB und Masse. Am Funktionsprinzip ändert sich dadurch nichts. Ansonsten stimmen die beiden Ausführungsbeispiele überein.
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Zur Überbrückung des Bereiches der Versorgungsspannung U1 zwischen dem Minimalwert und Null ist bei dem Ausführungsbeispiel der 5 vorgesehen, dass wenigstens zwei der Halbleiterschalter H1, H3 der H-Brückenschaltung HB Transistoren sind, wobei die Steuereinrichtung SE (in 5 nicht dargestellt) dazu vorgesehen ist, die Transistoren nur bei eingestelltem Minimalwert der Versorgungsspannung U1 der Stromversorgungsschaltung SV mit einem analogen Steuersignal Vctrl2 anzusteuern und so die Stärke des Stromflusses durch den thermoelektrischen Kühler TEC zu stellen. Dabei können die Transistoren so angesteuert werden, dass der thermoelektrische Kühler TEC mit jedem (positiven oder negativen) Spannungswert zwischen dem Minimalwert der steuerbaren Versorgungsspannung U1 und Null beaufschlagt werden kann. Somit ergibt sich insgesamt auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Gleichstrombetrieb über den gesamten Bereich der Versorgungsspannung zwischen Null und dem Maximalwert. Die H-Brückenschaltung HB sorgt wiederum für die Umschaltung der Polarität und außerdem, in dem Spannungsbereich unterhalb des Minimalwertes, für die Stellung der Stromstärke.