BR112014031300B1 - Dispositivo de conexão de um membro elétrico a uma linha de comunicação - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO DE CONEXÃO DE UM MEMBRO ELÉTRICO A UMA LINHA DE COMUNICAÇÃO. Dispositivo de conexão de um membro elétrico 3 a uma linha de comunicação 4 que compreende pelo menos dois condutores para levar sinais diferenciais, o dispositivo de conexão compreendendo pelo menos um componente de interface trocador de dados 8, 12 ligado à linha para emitir e/ou receber dados e um meio de ligação 9 do membro elétrico à linha, o dispositivo de conexão compreendendo por outro lado sucessivamente, a partir do meio de ligação até o componente de interface, pelo menos: - um primeiro transformador TA disposto para realizar uma filtragem em modo comum em cada condutor da linha de comunicação; - um segundo transformador TB disposto para realizar um isolamento galvânico de maneira a isolar da linha de comunicação pelo menos o componente de interface; - um terceiro transformador TC montado em paralelo ao segundo transformador e formado por dois enrolamentos munidos de terminais entre os quais terminais não conectados ao segundo transformador são conectados a uma massa mecânica do membro elétrico; - um quarto transformador TD disposto para realizar um isolamento galvânico de maneira a isolar da massa mecânica pelo menos o componente de interface.
Description
[0001] A invenção se refere a um dispositivo de conexão de um membro elétrico a uma linha de comunicação.
[0002] Para certificar um equipamento destinado a ser embarcado em uma aeronave, é notadamente necessário verificar o comportamento desse equipamento quando ele é colocado em condições ambientais similares àquelas que ele é suscetível de encontrar na aeronave. O equipamento é submetido a um conjunto de testes de qualificação no decorrer dos quais é verificado que o equipamento, quando ele é submetido a essas condições ambientais, funciona normalmente, ou então que ele não é danificado, ou então ainda não perturba o funcionamento de outros equipamentos. Esse conjunto de testes compreende geralmente testes climáticos (temperatura, umidade, etc.), testes mecânicos (vibrações, choques, etc.), testes de compatibilidade eletromagnética, de resistência a impactos de raio que atinge a aeronave, etc.
[0003] Entre os testes de compatibilidade eletromagnética, testes ditos de “suscetibilidade às radiofreqüências” que visam verificar o comportamento de um membro elétrico quando ele é exposto a um certo nível de energia de radiofreqüência. Esses testes compreendem testes ditos de “suscetibilidade conduzida” no decorrer dos quais correntes de freqüências varridas em um largo espectro são injetadas ao nível de cabos conectados ao membro elétrico.
[0004] Para verificar a resistência do membro elétrico a impactos de raio, são previstos testes empregados de maneira similar aos testes de suscetibilidade conduzida, assim como testes de injeção de corrente realizada diretamente ao nível de conectores do equipamento.
[0005] É exigido de certos membros elétricos que realizam funções especialmente críticas, por exemplo um membro elétrico utilizado em um sistema de comandos de vôo elétricos, não somente que eles não sejam danificados por essas correntes injetadas, mas além disso que eles funcionem normalmente no momento da injeção.
[0006] Assim, foi exigido que um membro elétrico fosse capaz de emitir e de receber normalmente dados em uma linha de comunicação diferencial digital, mesmo quando uma corrente de várias centenas de miliampères é injetada na linha, a freqüências que variam entre 100 kHz e 400 MHz. Essa corrente injetada gera notadamente grandes perturbações em modo comum que se propagam em condutores da linha.
[0007] Para permitir que o membro elétrico passe com sucesso nesse teste, poderia ser considerado montar no membro elétrico um dispositivo de conexão com a linha de comunicação que compreende um primeiro transformador de dois enrolamentos montados em série com os condutores da linha, e depois um segundo transformador de tipo transformador com ponto médio para isolar galvanicamente o membro elétrico da linha de comunicação. O segundo transformador compreenderia um enrolamento que compreende dois terminais de conexão clássicos assim como um terminal de conexão suplementar no meio do enrolamento. Assim, uma perturbação em modo comum gerada pela injeção de corrente seria filtrada pelos transformadores e evacuada para uma massa mecânica do membro elétrico via esse terminal de conexão.
[0008] A utilização desses transformadores seria eficaz, exceto no caso em que a perturbação em modo comum se propagasse a uma freqüência que corresponde a uma freqüência de ressonância do dispositivo de conexão devida a uma componente indutiva do primeiro transformador e a uma componente capacitiva do segundo transformador. Nessa freqüência de ressonância que se traduz por uma forte baixa de impedância do membro de recepção e portanto um aumento da corrente de modo comum, existe um risco grande de que a perturbação em modo comum danifique componentes do membro elétrico, ou então interrompa a comunicação. OBJETO DA INVENÇÃO a. A invenção tem como objeto um dispositivo de conexão para conectar um membro elétrico a uma linha de comunicação diferencial, que permite não danificar o membro elétrico e manter uma comunicação na linha, mesmo quando o membro elétrico é submetido a um teste de raio ou de suscetibilidade conduzida que consiste em injetar uma corrente de freqüência variável na linha de comunicação.
[0009] Tendo em vista a realização desse objetivo, é proposto um dispositivo de conexão de um membro elétrico a uma linha de comunicação que compreende pelo menos dois condutores para levar sinais diferenciais, o dispositivo de conexão compreendendo pelo menos um componente de interface trocador de dados ligado à linha para emitir e/ou receber dados e um meio de ligação do membro elétrico à linha, o dispositivo de conexão compreendendo por outro lado sucessivamente, a partir do meio de ligação até o componente de interface, pelo menos:
[0010] - um primeiro transformador disposto para realizar uma filtragem em modo comum em cada condutor da linha de comunicação;
[0011] - um segundo transformador disposto para realizar um isolamento galvânico de maneira a isolar da linha de comunicação pelo menos o componente de interface;
[0012] - um terceiro transformador montado em paralelo ao segundo transformador e formado por dois enrolamentos munidos de terminais entre os quais terminais não conectados ao segundo transformador são conectados a uma massa mecânica do membro elétrico;
[0013] - um quarto transformador disposto para realizar um isolamento galvânico de maneira a isolar da massa mecânica pelo menos o componente de interface.
[0014] Quando uma corrente é injetada na linha de comunicação, gerando uma perturbação em modo comum de freqüência igual a uma freqüência de ressonância devida a uma componente indutiva do primeiro transformador e a uma componente capacitiva do segundo transformador, o terceiro transformador, que apresenta uma impedância nula em modo comum, evacua a perturbação para a massa mecânica do membro elétrico qualquer que seja a freqüência dessa última. Assim, uma perturbação em modo comum que se propaga a uma freqüência de ressonância do dispositivo não apresenta o risco de danificar componentes do membro elétrico nem de perturbar trocas de dados na linha de comunicação.
[0015] A invenção será melhor compreendida à luz da descrição que se segue de um modo de execução especial não limitativo da invenção.
[0016] Será feito referência aos desenhos anexos, entre os quais;
[0017] - as figuras 1 a 4 representam esquemas elétricos de um dispositivo de conexão da invenção de acordo com quatro modo de realização diferentes;
[0018] - a figura 5 representa um dispositivo de conexão da invenção no qual enrolamentos de transformadores são realizados por enrolamentos de trilhas de um circuito impresso;
[0019] - a figura 6 representa enrolamentos de transformadores de um dispositivo de conexão da invenção integrados dentro de um mesmo componente discreto.
[0020] Em referência à figura 1, um dispositivo de conexão da invenção 1, 2 de acordo com um primeiro modo de realização é integrado em um primeiro membro elétrico 3 destinado a emitir dados em uma linha de comunicação digital diferencial 4, e para um segundo membro elétrico 5 destinado a receber esses dados. Os dados são portanto aqui transmitidos em uma ligação simplex, quer dizer em um só sentido entre o primeiro membro elétrico 3 que emite os dados e o segundo membro elétrico 5 que os recebe.
[0021] Além do dispositivo de conexão da invenção, cada um dos membros elétricos 3, 5 compreende um módulo de controle 6, 7, por exemplo um microcontrolador ou um FPGA, do qual uma das funções é, no caso do primeiro membro elétrico 3, gerar os dados que o primeiro membro elétrico 3 deve emitir, e no caso do segundo membro elétrico 5, tratar os dados recebidos pelo segundo membro elétrico 5, quer dizer por exemplo, interpretar os mesmos, estocar os mesmos, ou reemitir os mesmos. No primeiro membro elétrico e no segundo membro elétrico, os dados são respectivamente gerados e recebidos pelos módulos de controle 6, 7 via os dispositivos de conexão da invenção 1, 2.
[0022] Os dispositivos de conexão 1, 2 do primeiro membro elétrico 3 e do segundo membro elétrico 5 compreendem cada um deles:
[0023] - um componente de interface trocador de dados 8, 12;
[0024] - quatro transformadores TA, TB, TC, TD e TE, TF, TG, TH;
[0025] - um conector 9, 13.
[0026] Por componente de interface trocador de dados, é entendido um componente que pode ser ou emissor, ou receptor, ou ao mesmo tempo emissor e receptor. Na seqüência dessa descrição, será distinguido um componente de interface emissor de um componente de interface receptor. É bem evidente que essa distinção não impede que um componente de interface emissor seja por outro lado capaz de receber dados, e que um componente de interface receptor seja por outro lado capaz de emitir dados.
[0027] Aqui, o componente de interface trocador de dados 8 é um componente de interface emissor, e o componente de interface trocados de dados 12 é um componente de interface receptor.
[0028] Os componentes de interface emissor 8 e receptor 12 são ambos munidos de resistências de adaptação de impedância, não representadas aqui, para otimizar a emissão e a recepção de dados na linha de comunicação 4.
[0029] Os dispositivos de conexão 1, 2 do primeiro membro elétrico e do segundo membro elétrico são portanto idênticos, com exceção do fato de que, contrariamente àquele do primeiro membro elétrico, o componente de interface 12 do segundo membro elétrico 5 é destinado a receber dados e não a emitir os mesmos. Contentar-se-á portanto aqui de descrever a disposição e as vantagens do dispositivo de conexão 1 do primeiro membro elétrico 3, essas últimas sendo equivalentes no segundo membro elétrico 5.
[0030] O componente de interface emissor 8 do dispositivo de conexão 1 do primeiro membro elétrico 3 é portanto disposto para receber dados do módulo de controle 6 e conformá-los para torná-los de acordo com o padrão Ethernet. Esses dados são em seguida emitidos, via os transformadores TA, TB, TC, TD e o conector 9, em modo diferencial, na linha de comunicação 4 munida de dois condutores 14, 15.
[0031] Os quatro transformadores TA, TB, TC, TD do dispositivo de conexão 1 são, cada um deles, formados por dois enrolamentos munidos de dois terminais dos quais um terminal homólogo identificado por um ponto para precisar o início de cada um dos enrolamentos e portanto o sentido das correntes que circulam em cada enrolamento.
[0032] O transformador TA é disposto de maneira a que cada um de seus enrolamentos tenha um terminal ligado ao conector 9 e seja montado em série com um condutor 14, 15 da linha de comunicação 4, e que as correntes que circulam em cada enrolamento circulem no mesmo sentido. O transformador TA tem assim uma componente indutiva que forma um meio de filtragem que permite filtrar perturbações em modo comum a altas freqüências.
[0033] O transformador TB é disposto de maneira a que os dois terminais de um mesmo enrolamento TB sejam ligadas cada um deles a um terminal de TA não ligado ao conector 9. O transformador TB permite isolar galvanicamente da linha de comunicação 4 componentes elétricos situados para além do transformador TB, entre os quais o componente de interface emissor 8. As correntes que circulam em cada enrolamento de TB circulam no mesmo sentido. O transformador TB tem assim uma componente capacitiva que forma um meio de filtragem que só permite limitar perturbações em moco comum a baixas freqüências.
[0034] O transformador TC é montado em paralelo ao transformador TB, e é conectado a uma massa mecânica 16 do membro elétrico 3 por seus dois terminais não conectados aos terminais do transformador TB. As correntes que circulam em cada enrolamento do transformador TC circulam em um sentido diferente.
[0035] Quando uma perturbação em modo comum, que tem uma freqüência de ressonância que corresponde a uma freqüência de ressonância que resulta da componente indutiva do transformador TA e da componente capacitiva do transformador TB, se propaga nos condutores 14, 15 da linha de comunicação 4, essa última é evacuada para a massa mecânica 16 via o transformador TC, sem danificar um componente elétrico do membro elétrico 3.
[0036] É notado que o transformador TC apresenta uma impedância muito grande em modo diferencial, e portanto não degrada os dados emitidos pelo componente de interface de emissão com destino ao segundo membro elétrico.
[0037] Finalmente, o transformador TD é disposto de maneira a que os dois terminais de um mesmo enrolamento do transformador TD sejam conectados cada um deles a um terminal do enrolamento do transformador TB não conectado ao transformador TA, e de maneira a que os dois terminais do outro enrolamento do transformador TD sejam conectados ao componente de interface emissor 8. O transformador TD permite isolar galvanicamente da massa mecânica componentes elétricos situados para além do transformador TD, entre os quais o componente de interface emissor 8. As correntes que circulam em cada enrolamento do transformador TD circulam no mesmo sentido.
[0038] O dispositivo de conexão da invenção tal como descrito acima permite portanto, sem degradar os dados emitidos, assegurar uma filtragem eficaz das perturbações em modo comum que têm uma freqüência que corresponde a uma freqüência de ressonância que resulta das componentes capacitivas e indutivas do dispositivo.
[0039] Em referência à figura 2, um dispositivo de conexão da invenção 101 de acordo com um segundo modo de realização pode ser integrado em um primeiro membro elétrico 103 destinado a emitir dados e a receber dados em uma linha de comunicação digital diferencial 104, esses dados sendo trocados com um segundo membro elétrico (não representado na figura 2) ele também munido de um dispositivo de conexão da invenção. Os dados são aqui trocados em uma ligação semiduplex, quer dizer que eles circulam em um sentido ou no outro entre o primeiro membro elétrico 103 e o segundo membro elétrico, mas não nos dois sentidos simultaneamente.
[0040] O primeiro membro elétrico compreende evidentemente um módulo de controle 106 disposto notadamente para realizar as funções preenchidas pelos módulos de controle de emissão e de recepção descritas precedentemente (geração, recepção, tratamento de dados).
[0041] O dispositivo de conexão da invenção 101 do primeiro membro elétrico 103 compreende aqui um componente de interface emissor 108 e um componente de interface receptor 112, destinados a emitir e a receber dados, assim como quatro transformadores T’A, T’B, T’C, T’D e um conector 109. Os componentes de interface são munidos de resistências de adaptação de impedância.
[0042] O componente de interface emissor 108 compreende duas saídas S1, S2 conectadas a duas entradas E1, E2 do componente de interface receptor 112, que permitem que o primeiro membro elétrico alternativamente emita e receba dados na linha de comunicação 104.
[0043] Os quatro transformadores T’A, T’B, T’C, T’D são, cada um deles, formados por dois enrolamentos munidos de dois terminais. Os transformadores têm funções similares àquelas descritas no primeiro modo de realização, e as correntes que circulam em cada enrolamento circulam em sentidos similares àqueles do primeiro modo de realização. Entretanto, os transformadores T’C e T’D são aqui, cada um deles, formados por dois enrolamentos entre três enrolamentos de um dispositivo de transformação TF1, aqui um transformador de três enrolamentos.
[0044] Os transformadores T’A e T’B são dispostos de maneira similar aos transformadores Ta e TB da figura 1. Cada enrolamento do transformador T’C tem um terminal ligado a um terminal de T’B não ligado a T’A. Os terminais de T’C não ligados a T’B são ligados a uma massa mecânica 116 do primeiro membro elétrico 103. Um enrolamento 120 do transformador T’D é comum com um enrolamento de T’C. Os terminais do outro enrolamento de T’D são ligados às saídas S1, S2 do componente de interface emissor 108 e às entradas E1, E2 do componente de interface receptor 112.
[0045] O transformador de três enrolamentos TF1 compreende portanto um enrolamento 120 utilizado pelos dois transformadores T’C, T’D o que, por um lado, simplifica o dispositivo, e por outro lado, permite reduzir perdas de energia de transformação (perdas Joule, perdas de carga, etc.). Essa redução das perdas melhora a qualidade dos dados transmitidos via os transformadores, e melhora a evacuação das perturbações em modo comum para a massa mecânica 116 do membro elétrico 103.
[0046] Em referência à figura 3, um dispositivo de conexão 201 da invenção de acordo com um terceiro modo de realização é de novo integrado em um primeiro membro elétrico 203 para trocar dados em uma ligação semiduplex. O dispositivo de conexão da invenção 201 compreende de novo um componente de interface emissor 208 e um componente de interface receptor 212, quatro transformadores T’’A, T’’B, T’’C, T’’D e um conector 209. Os transformadores T’’A, T’’B, T’’C, T’’D têm funções similares àquelas descritas no primeiro modo de realização. Eles são formados por enrolamentos nos quais as correntes circulam em sentidos similares àqueles dos dois primeiros modos de realização. O terceiro modo de realização é similar ao segundo modo de realização, com exceção do fato de que o dispositivo de conexão é aqui munido de um dispositivo de transformação TF2 de quatro enrolamentos, o enrolamento suplementar 221 sendo montado em paralelo a um enrolamento de T’’D do qual os terminais são ligados ao componente de interface emissor 208 e ao componente de interface receptor 212. O transformador de quatro enrolamentos TF2 é mais fácil de equilibrar do que o transformador de três enrolamentos TF1, quer dizer que um dimensionamento do transformador que permite assegurar uma circulação de corrente simétrica através desse transformador é mais fácil de realizar.
[0047] Em referência à figura 4, um dispositivo de conexão 301 da invenção de acordo com um quarto modo de realização é de novo integrado em um primeiro membro elétrico 303 para trocar dados em uma ligação semiduplex. O dispositivo de conexão compreende de novo um componente de interface emissor 308 e um componente de interface receptor 312, quatro transformadores T’’’A, T’’’B, T’’’C, T’’’D, e um conector 309.
[0048] Os transformadores T’’’B e T’’’D são aqui, cada um deles, formados por dois enrolamentos entre três enrolamentos de um dispositivo de transformação TF3, aqui um transformador de três enrolamentos.
[0049] O transformador T’’’A é disposto de maneira similar ao transformador TA da figura 1. O transformador T’’’B é disposto de maneira a que os dois terminais de um mesmo enrolamento do transformador T’’’B sejam conectados cada um deles a um terminal do transformador T’’’A não ligado ao conector 309. Um enrolamento 320 do transformador T’’’B não conectado ao transformador T’’’A é comum aos transformadores T’’’B e T’’’D. O outro enrolamento do transformador T’’’D é conectado aos componentes de interface emissor 308 e receptor 312. Cada enrolamento do transformador T’’’C tem um terminal conectado ao enrolamento 320. Os terminais do transformador T’’’C não ligados ao enrolamento 320 são ligados a uma massa mecânica 316 do primeiro membro elétrico 303.
[0050] O enrolamento 320 é portanto utilizado pelos dois transformadores T’’’B e T’’’D. Isso permite de novo simplificar o dispositivo, reduzir as perdas, facilitar o equilíbrio, mas também suprimir um acoplamento capacitivo existente, nos modos de realização precedentes, entre o transformador TC ou T’C ou T’’C e a massa mecânica do membro elétrico.
[0051] Para fabricar o dispositivo de conexão da invenção, é possível prever realizar os enrolamentos dos transformadores utilizando para isso enrolamentos de trilhas de circuitos impressos. Vantajosamente, em referência à figura 5 que representa camadas de verniz 421, de cobre 422 e de isolamento 423, enrolamentos de trilhas 424 de transformadores de um dispositivo da invenção 401 são distribuídos sobre camadas de cobre internas do circuito impresso 404, e componentes de interface emissor 408 e receptor 412 são montados sobre uma camada de cobre de superfície. Os transformadores não necessitam portanto de um núcleo magnético, e não apresentam portanto risco de saturação provocada por um fluxo magnético que seria grande demais para o núcleo. Uma tal disposição permite por outro lado realizar o dispositivo de conexão sobre uma pequena superfície do PCB, assegurar uma reprodutibilidade industrial satisfatória, etc.
[0052] Em referência à figura 6, é possível também prever integrar enrolamentos de trilhas 524 de transformadores realizados sobre camadas de cobre 522 de um circuito impresso 504 diretamente em um componente discreto 530, por exemplo dentro de uma caixa BGA (para “Ball Grid Array”, com freqüência traduzido em português por “caixa de esferas”).
[0053] A invenção não está limitada aos modos de realização especiais que acabam de ser descritos, mas, bem ao contrário, cobre qualquer variante que entra no âmbito da invenção tal como definida pelas reivindicações.
[0054] Ainda que se tenha utilizado o dispositivo de conexão de acordo com o primeiro modo de realização em primeiro e segundo membros elétricos que se comunicam via uma ligação simplex, é possível utilizar esse dispositivo em uma ligação semiduplex. Cada membro elétrico será nesse caso munido de um componente de interface trocador de dados emissor e de um componente de interface trocador de dados receptor, que serão ou conectados entre si de maneira similar aos dispositivos dos outros modos de realização e conectados a um único conjunto de transformadores, ou conectados cada um deles a um conjunto de transformadores. Do mesmo modo, é possível utilizar os dispositivos de conexão de acordo com os outros modos de realização em uma ligação simplex. Cada membro elétrico será nesse caso munido unicamente de um componente de interface de tipo emissor ou de tipo receptor.
Claims (7)
1. Dispositivo de conexão de um membro elétrico (3; 103; 203; 403) a uma linha de comunicação (4; 104) que compreende pelo menos dois condutores para levar sinais diferenciais, o dispositivo de conexão caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um componente de interface trocadora de dados (8, 12; 108; 112) ligado à linha para emitir e/ou receber dados e um meio de ligação (9, 13; 109) do membro elétrico à linha, o dispositivo de conexão compreendendo por outro lado sucessivamente, a partir do meio de ligação até o componente de interface, pelo menos: - um primeiro transformador (TA; T’A; T’’A; T’’’A) disposto para realizar uma filtragem em modo comum em cada condutor da linha de comunicação; - um segundo transformador (TB; T’B; T’’B; T’’’B) disposto para realizar um isolamento galvânico de maneira a isolar da linha de comunicação pelo menos o componente de interface; - um terceiro transformador (TC; T’C; T’’C; T’’’C) montado em paralelo ao segundo transformador e formado por dois enrolamentos munidos de terminais entre os quais terminais não conectados ao segundo transformador são conectados a uma massa mecânica do membro elétrico; - um quarto transformador (TD; T’D; T’’D; T’’’D) disposto para realizar um isolamento galvânico de maneira a isolar da massa mecânica pelo menos o componente de interface.
2. Dispositivo de conexão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o terceiro (T’C) e o quarto transformadores (T’D) são formados respectivamente por um primeiro enrolamento e um segundo enrolamento (120), e pelo segundo enrolamento (120) e um terceiro enrolamento de um dispositivo de transformação (TF1) de três enrolamentos.
3. Dispositivo de conexão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo (T’’’B) e o quarto transformadores (T’’’D) são formados respectivamente por um primeiro enrolamento e um segundo enrolamento (320), e pelo segundo enrolamento (320) e um terceiro enrolamento de um dispositivo de transformação (TF3) de três enrolamentos.
4. Dispositivo de conexão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o terceiro transformador (T’’C) e o quarto transformador (T’’D) são formados respectivamente por um primeiro enrolamento e um segundo enrolamento, e pelo segundo enrolamento e um terceiro enrolamento em paralelo com um quarto enrolamento (221) de um dispositivo de transformação (TF2) de quatro enrolamentos.
5. Dispositivo de conexão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um componente de interface trocador de dados emissor (108) e um componente de interface trocador de dados receptor (112), saídas (S1, S2) do componente de interface de tipo emissor e entradas (E1, E2) do componente de interface de tipo receptor sendo conectadas entre si de maneira a que os componentes de interface possam emitir e receber dados na linha de comunicação através dos transformadores.
6. Dispositivo de conexão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos transformadores é realizado por enrolamentos de trilhas (424) de um circuito impresso (404).
7. Dispositivo de conexão de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que todos os transformadores são realizados por enrolamentos de trilhas (524) de um circuito impresso e integrados dentro de um mesmo componente discreto (530).
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