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Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert
ist, betrifft Verstärker des H-Brückentyps und ihre
Sperrmittel; sie betrifft gleichermaßen
Festkörper-Leistungsverstärkervorrichtungen, die solche Verstärker enthalten.
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Leistungsverstärker mit sogenannten H-Brücken oder
vollständigen Brücken werden häufig als Leistungsmodule verwendet, um
Festkörper-Leistungsverstärkervorrichtungen zu verwirklichen.
Das Dokument FR-A-1 414 293 offenbart ein solches
Leistungsmodul. In diesen Vorrichtungen sind die Lasten der H-Brücken
durch die Primärwicklungen von Transformatoren gebildet, deren
Sekundärwicklungen in Serie geschaltet sind. Die Modulation des
Eingangssignals der H-Brücken-Verstärkervorrichtungen wird
durch Sperren oder Entsperren der gesamten H-Brücken oder eines
Teils derselben in Abhängigkeit von dem zu übertragenden
Informationsträgersignal erhalten. Von den bekannten
Sperrmitteln verwirklichen bestimmte von ihnen die Sperrung in
autoritärer Weise, d. h. ohne Synchronisation des modulierten Signals
mit dem modulierenden Signal, woraus sich große Beschränkungen
ergeben: Schalten unter Strom, Phasenunstetigkeit usw.
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Bei anderen bekannten Sperrmitteln ist eine Synchronisation der
Signale vorgesehen, die Erfassungen der Phase, eine
Synchronisation durch ein D-Flipflop und dann eine Verstärkung
erfordert. Daraus ergibt sich eine große Anzahl von
Komponenten, darüber hinaus fügen sich die eingesetzten
Logikschaltungen nur schlecht in die unmittelbare Umgebung der
Leistungsschaltungen ein.
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Das Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden
oder wenigstens zu verringern.
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Dies wird erzielt durch direktes Verwenden des Eingangssignals
der H-Brücken-Verstärkungsvorrichtung, um die Sperrung oder die
Entsperrung der H-Brücken zuzulassen oder nicht zuzulassen.
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Gemäß der Erfindung wird dies durch einen Leistungsverstärker
ausgeführt, wie er insbesondere im Anspruch 1 beschrieben ist.
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Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich und weitere
Merkmale werden deutlich mit Hilfe der folgenden Beschreibung
und der darauf bezogenen Figuren, worin:
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- Fig. 1 eine Festkörper-Leistungsverstärkerungsvorrichtung
zeigt, der Sperrmittel für H-Brücken gemäß der Erfindung
zugeordnet sein können,
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- die Fig. 2 und 4 Schaltpläne zeigen, die auf die
Sperrmittel von Leistungsverstärkern gemäß der Erfindung bezogen sind,
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- die Fig. 3 und 5 Zeitablaufpläne zeigen, die auf die
Schaltpläne der Fig. 2 bzw. 4 bezogen sind.
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In den verschiedenen Figuren sind die entsprechenden Elemente
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Fig. 1 ist der vereinfachte Schaltplan einer
Leistungsverstärkervorrichtung, die aus Leistungsmodulen des H-Brückentyps
gebildet ist, deren Lasten durch Transformatoren Tr gebildet
sind, deren Sekundärwicklungen zwischen Masse und einer
Sendeantenne A in Serie geschaltet sind; in Fig. 1 ist nur eines
dieser Module gezeigt. Die Anzahl der Module, die eine
Verstärkervorrichtung enthält, ist im allgemeinen deutlich größer
als hundert. Die Module derselben Vorrichtung können
untereinander völlig gleich sein oder mit Ausnahme einer kleinen Anzahl
von ihnen, die geringere Leistungen besitzen, völlig gleich
sein, um an die Antenne durch Kombinationen von Modulen mit
unterschiedlichen Ausgangsleistungen feineinstellbare
Leistungen liefern zu können. Da jedoch die Module ähnlich hergestellt
sind, selbst bei unterschiedlichen Leistungen, genügt die
Beschreibung eines einzigen von ihnen, um ihre Funktionsweise
zu erläutern. Jedes dieser Module empfängt dasselbe
Hochfrequenz-Eingangssignal Vrf. Durch einen Befehl, der von
einem zu übertragenden Informationssignal abhängt, werden
sämtliche Module oder ein Teil der Module der Vorrichtung
gesperrt, was für das Signal Vrf eine Modulation und eine
Verstärkung vor der Übertragung an die Antenne zur Folge hat.
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Das H-Brücken-Verstärkermodul, das in Fig. 1 gezeigt ist,
enthält vier N-Kanal-MOSFET-Transistoren Q1 bis Q4, die
paarweise, Q1-Q2, Q3-Q4, zwischen Masse und eine
Gleichspannungsquelle V+ geschaltet sind: Die Sources von Q1 und Q3 sind mit
Masse verbunden, die Drains von Q1 und Q3 sind mit den Sources
von Q2 bzw. von Q4 verbunden und die Drains von Q2 und von Q4
sind mit der Gleichspannungsquelle V+ verbunden. Zwischen die
Source und das Gate der Transistoren Q1 bis Q4 sind die
Sekundärwicklungen von vier Transformatoren T1 bis T4 geschaltet,
die an ihrer Primärwicklung das Eingangssignal Vrf empfangen;
die Transistoren Q1, Q4 empfangen das Signal Vrf mit derselben
Amplitude und derselben Phase, während die Transistoren Q2, Q3
das Signal Vrf mit derselben Amplitude wie für Q1, Q4, jedoch
mit entgegengesetzter Phase in bezug auf das von Q1, Q4
empfangene Signal empfangen. Den Transistoren Q1 bis Q4 sind
entsprechend vier Dioden D1 bis D4 zugeordnet, deren Anode und
deren Katode mit der Source bzw. mit dem Drain des Transistors,
dem sie zugeordnet sind, verbunden sind.
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Die Transistoren der Schaltung nach Fig. 1 arbeiten im
Schaltbetrieb, wobei die Transistoren Q1 und Q4 eine der Halbperioden
des Signals Vrf verstärken, während die Transistoren Q2, Q3
gesperrt sind, und umgekehrt für die folgende Halbperiode.
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Die Modulation des Signals Vrf erfolgt durch Einwirkung auf den
Betrieb der MOSFET-Transistoren; die Sperrmittel sind im
allgemeinen durch eine Steuerschaltung B gebildet, die zwischen
den gemeinsamen Punkt der Sources der Transistoren Q1, Q3 und
Masse geschaltet ist; die Modulation kann beispielsweise auch
mit Hilfe von Sperrmitteln erhalten werden, die aus zwei
Steuerschaltungen B', B" gebildet sind, wovon eine zwischen die
Source von Q1 und den Anschluß J der Sekundärwicklung von T1
gegenüber dem Gate von Q1 geschaltet ist und die andere
zwischen die Source von Q3 und den Anschluß der
Sekundärwicklung von T3 gegenüber dem Gate von Q3 geschaltet ist;
die Stellen, an denen entweder die einzige Steuerschaltung B
oder die beiden Steuerschaltungen B', B" eingefügt sind, sind
in Fig. 1 durch Kreuze symbolisiert.
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Die Aus/Ein-Steuerungen B', B" sind zwei völlig gleiche
Steuerungen, die dieselben Signale empfangen, wobei in der folgenden
Beschreibung dann, wenn die Sperrmittel vom Typ B', B" sind,
nur die Schaltung B' beschrieben wird.
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Für ein richtiges Verständnis der im folgenden beschriebenen
Sperrmittel wird einerseits angemerkt, daß der Strom in der
Last einer H-Brücke einer Leistungsverstärkervorrichtung wie
etwa derjenigen nach Fig. 1 durch sämtliche H-Brücken der
Vorrichtung vorgeschrieben ist, die entsperrt sind, und
andererseits, daß die Primärwicklung des Last-Transformators Tr
jeder H-Brücke der Vorrichtung niemals ein offener Kreis sein
darf, um in die Verbindung Antenne-Masse nach Fig. 1 keine
unendliche Impedanz einzuführen.
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Im folgenden handelt es sich um den normalen Zustand und um den
gesperrten Zustand einer mit den Sperrmitteln B', B"
ausgerüsteten H-Brücke; der gesperrte Zustand ist derjenige, in
dem die H-Brücke wegen der mit Hilfe der Sperrmittel B', B"
verwirklichten Sperrung keine Ausgangsleistung liefert, während
der normale Zustand derjenige ist, in dem sich die Sperrmittel
B', B" wie zwei Kurzschlüsse verhalten, wobei die H-Brücke nach
Fig. 1 das Signal Vrf "normal" verstärkt. Selbstverständlich
können sich beim Übergang von einem Zustand in den anderen
Probleme stellen; die folgende Beschreibung zeigt, wie solche
Probleme vermieden werden können.
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Fig. 2 ist ein vereinfachter und partieller Schaltplan der
Steuerschaltung B' von Fig. 1, wie sie gemäß der Erfindung
verwirklicht werden kann. Diese Steuerschaltung enthält aus
Sicht des Anschlusses J der Sekundärwicklung von T1 gegenüber
dem Gate von Q1 eine erste Diode d1 in Sperrichtung, die über
einen EIN/AUS-Schalter K1 mit Masse verbunden ist, und eine
zweite Diode d2 in Durchlaßrichtung, deren Katode direkt mit
Masse verbunden ist.
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Der Betrieb der Steuerschaltung nach Fig. 2 greift in die
interne Kapazität des Gates des MOSFET-Transistors Q1 ein;
diese Kapazität ist in Fig. 2 durch einen Kondensator C
dargestellt. In dem Fall, in dem die H-Brücke nach Fig. 1 aus
Bipolartransistoren gebildet ist, müßten, um dieselben
Betriebsbedingungen wie mit den MOSFET-Transistoren
wiederherzustellen, entweder Bipolartransistoren Q1, Q3 mit MOS-Eingang
verwendet werden oder es müßte zwischen Masse und das Gate der
Transistoren Q1, Q3 ein Kondensator angeschaltet sein. Die
Steuerschaltung von Fig. 2 verwendet die Speicherwirkung, die
der Transistor Q1 durch die interne Kapazität seines Gates
erhält.
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Bei geschlossenem EIN/AUS-Schalter K1 ist die H-Brücke im
Normalzustand, wobei die Diode d1 während des Ladens des
Kondensators C leitet und die Diode d2 während seiner Entladung
leitet.
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Beim Öffnen des EIN/AUS-Schalters K1 sind in Abhängigkeit vom
Eingangssignal Vrf der H-Brücke zwei Fälle zu betrachten:
Entweder ist die Spannung an den Anschlüssen der
Sekundärwicklung des Transformators T1 negativ oder positiv. Wenn die
Spannung negativ ist, ist der Transistor Q1 gesperrt, wobei
wegen der Tatsache, daß der EIN/AUS-Schalter K1 offen ist, wie
in Fig. 2 gezeigt ist, der Kondensator C auf einer konstanten
negativen Spannung geladen bleibt und der Transistor Q1
gesperrt bleibt. Falls zum Zeitpunkt des Öffnens des EIN/AUS-
Schalters K1 die Spannung an den Anschlüssen der
Sekundärwicklung des Transformators T1 positiv ist, ist die Spannung an den
Anschlüssen des Kondensators C positiv, wobei der Transistor Q1
durchschaltet, solange sie positiv bleibt; wenn die positive
Spannung an den Anschlüssen der Sekundärwicklung des
Transformators T1 wegen des Signals Vrf abfällt, entlädt sich
der Kondensator C über die Diode d2, um sich negativ zu laden
und Q1 zu sperren, sobald die Spannung an den Anschlüssen der
Sekundärwicklung des Transformators T1 negativ wird; dann
bleibt der Transistor Q1 gesperrt, wobei sich der negativ
geladene Kondensator C über d1 nicht entladen kann, solange K1
offen bleibt.
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Daher wird der Transistor Q1 im Durchlaßzustand gehalten,
solange die Spannung an den Anschlüssen der Sekundärwicklung
des Transformators T1 positiv bleibt, damit die Sperrung des
Transistors Q1 und sich wechselseitig bedingend der H-Brücke
mit dem Eingangssignal Vrf synchronisiert ist: Entweder ist die
Spannung am Gate des Transistors Q1 negativ, so daß Q1 zum
Zeitpunkt des Öffnens des EIN/AUS-Schalters K1 gesperrt wird
und anschließend gesperrt bleibt, oder diese Spannung ist
positiv, so daß der Transistor Q2 durchschaltet, bis die
Eingangsspannung Vrf ihr Vorzeichen wechselt.
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Der Fall, in dem die Spannung an den Anschlüssen der
Sekundärwicklung des Transformators T1 zum Zeitpunkt des Öffnens des
EIN/AUS-Schalters K1 positiv ist, ist in Fig. 3 dargestellt,
die in ein und demselben Zeitablaufplan die Spannung V1 an den
Anschlüssen der Sekundärwicklung des Transformators T1, den
geschlossenen Zustand 1 des EIN/AUS-Schalters K1, den offenen
Zustand 0 desselben und die Spannung Vc an den Anschlüssen des
Kondensators C zeigt.
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Der Sperrbefehl hat, wie oben gesehen worden ist, die Sperrung
des Transistors Q1 nur dann zur Folge, wenn die Spannung an den
Anschlüssen der Sekundärwicklung von T1 negativ ist. Was den
Befehl zum Entsperren des Transistors Q1 betrifft, um in den
normalen Zustand der H-Brücke überzugehen, muß er nur dann
ausgegeben werden, wenn die Spannung an den Anschlüssen des
Transformators T1 negativ wird, um ein Schalten des Transistors
Q1 zu dem Zeitpunkt, zu dem er bei positiver Spannung an seinem
Gate sofort als Verstärker arbeiten würde und daher keine
Synchronisation vorhanden wäre, zu vermeiden.
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Fig. 4 ist ein elektrischer Schaltplan, der die Sperrmittel
zeigt, die die im vorhergehenden Absatz erwähnten Kriterien
erfüllen.
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Fig. 4 entspricht Fig. 2 und ist ergänzt, um eine Entsperrung
synchron mit dem Eingangssignal Vrf der H-Brücke
sicherzustellen, und modifiziert, um hier als EIN/AUS-Schalter K1 nicht nur
einen einfachen Kontakt, sondern einen elektronischen EIN/AUS-
Schalter darzustellen, der aus einem P-Kanal-MOSFET-Transistor
hergestellt ist. Der Drain des Transistors K1 ist mit der Anode
der Diode d1 verbunden, während seine Source mit Masse
verbunden ist und sein Gate über einen Widerstand R1 mit dem
Steuereingang Ec der Schaltung verbunden ist. An diesen Eingang
wird ein Signal Va angelegt, das zwei Werte, 0 und -V annehmen
kann, je nachdem, ob die H-Brücke im gesperrten Zustand oder im
normalen Zustand sein soll.
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Die Schaltung nach Fig. 4 enthält außerdem einen P-Kanal-MOS-
Transistor K2, zwei Widerstände R2, R3 und einen Kondensator
C1. Der Drain des Transistors K2 ist mit dem Gate des
Transistors K1 verbunden, während seine Source mit Masse verbunden
ist. Einer der Anschlüsse des Kondensators C1 ist mit dem
Anschluß J der Sekundärwicklung des Transformators T1
verbunden; der andere Anschluß J' des Kondensators C1 ist über den
Widerstand R2 mit dem Gate des Transistors K2 verbunden, dessen
Gate über den Widerstand R3 mit Masse verbunden ist.
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Die Aufgabe der Schaltung nach Fig. 4 ist es, den Transistor K1
gesperrt zu halten, solange die Spannung an der
Sekundärwicklung des Transformators T1 positiv ist, d. h. solange die
Spannung an den Anschlüssen J und J' negativ ist; solange dies
der Fall ist, ist die Spannung, die an das Gate des Transistors
K2 angelegt wird, negativ; dieser Transistor schaltet daher
durch und legt das Gate des Transistors K1 an Masse; deswegen
ist K1 gesperrt, selbst wenn das Steuersignal Va am Eingang Ec
den Wert -V besitzt.
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Wenn hingegen die Spannung an der Sekundärwicklung des
Transformators T1 negativ ist, was einer positiven Spannung an den
Anschlüssen J und J' entspricht, liegt am Gate des Transistors
K2 eine positive Spannung an. Dieser Transistor ist daher
gesperrt, wodurch der Übergang in den Durchlaßzustand des
Transistors K1 zugelassen wird, wenn das Steuersignal am
Eingang Ec den Wert -V hat, was einer Steuerung des Übergangs
in den normalen Zustand der H-Brücke entspricht; wenn der
Transistor K1 durchschaltet, wird einerseits der Transistor Q1
entsperrt, andererseits verschwindet die Spannung bei J und bei
J', wodurch der Transistor K2 sperrt und der Betrieb im
normalen Zustand solange verriegelt wird, wie das Steuersignal
auf -V liegt.
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Der Transistor K2 modifiziert den Betrieb für den Übergang in
den gesperrten Zustand nicht, wie mit Hilfe von Fig. 2
erläutert worden ist; wenn nämlich das Steuersignal für den
gesperrten Zustand, das durch einen Pegel 0 gebildet ist, an den
Steuereingang Ec angelegt wird, wird sofort an das Gate des
Transistors K1 eine Spannung mit Pegel 0 angelegt, wodurch
dieser Transistor sowohl dann, wenn der Transistor K2
durchschaltet, als auch dann, wenn er gesperrt ist, gesperrt wird.
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Es ist anzumerken, daß die Aufgabe des Kondensators C1 darin
besteht, zu vermeiden, daß eine geringe positive parasitäre
Spannung am Anschluß J einen unerwünschten Übergang vom
gesperrten Zustand in den normalen Zustand nach sich ziehen kann:
kraft des Kondensators C1 hat die Spannung am Anschluß J' den
mittleren Wert der Spannung am Anschluß J, weshalb die
parasitären Spannungen beseitigt werden.
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Fig. 5 ist ein Zeitablaufplan, der demjenigen von Fig. 3
entspricht, in dem jedoch
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- der Zustand des EIN/AUS-Schalters K1 durch das
Steuersignal Va am Steuereingang Ec ersetzt ist,
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- die Leckströme in der Darstellung der Spannung Vc an den
Anschlüssen des Kondensators C berücksichtigt worden sind,
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- vier Fälle der Steuerung der H-Brücke und zusätzlich in
unterbrochenen Linien im Zeitablaufplan von Vc der Verlauf der
Kurve bei fehlender Synchronisation der Sperrung und der
Entsperrung mit der Spannung V1 an den Anschlüssen der
Sekundärwicklung des Transformators T1 und daher mit der
Eingangsspannung Vrf der H-Brücke dargestellt worden sind.
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Diese vier Fälle der Steuerung der H-Brücke sind:
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- bei t1 die Auslösung eines gesperrten Zustands, während
die Spannung V1 an den Anschlüssen der Sekundärwicklung des
Transformators T1 positiv ist; die effektive Sperrung des
Transistors Q1 wartet, um erfolgen zu können, daß die Spannung
V1 negativ wird,
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- bei t2 die Auslösung eines normalen Zustandes, während die
Spannung V1 positiv ist; die effektive Entsperrung des
Transistors Q1 wartet, um erfolgen zu können, daß die Spannung V1
positiv wird,
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- bei t3 und t4 die Auslösung eines gesperrten Zustandes
bzw. eines normalen Zustandes, während die Spannung V1 an den
Anschlüssen des Transformators T1 negativ ist; da der
Transistor Q1 durch die negativen Spannungen V1 gesperrt ist, stellt
die Synchronisation kein Problem dar, da der Transistor nach t3
gesperrt bleibt und nach t4 entsperrt wird, sobald die Spannung
V1 positiv wird.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das eben beschriebene
Ausführungsbeispiel eingeschränkt; sie findet allgemeiner auf
H-Brücken Anwendung, bei denen die Sperrmittel für jeden
vertikalen Zweig der H-Brücke enthalten:
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- einen ersten EIN/AUS-Schalter parallel zu einem
Halbleiterelement, der mit einer Seite über eine Sekundärwicklung des
Transformators der H-Brücke mit der Steuerelektrode eines von
vier Transistoren der H-Brücke und mit der anderen Seite an ein
gegebenes Potential zum Versetzen des betrachteten Transistors
in den Durchlaßzustand gekoppelt ist, wobei die Steuerelektrode
außerdem über ein kapazitives Element an das gegebene Potential
gekoppelt ist,
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- einen zweiten EIN/AUS-Schalter, der in Abhängigkeit vom
Signal an den Anschlüssen der betrachteten Sekundärwicklung
gesteuert wird, um den ersten EIN/AUS-Schalter geöffnet zu
halten, wenn die Richtung dieses Signals eine gegebene Richtung
ist.