CH632115A5 - Transistor invertor for voltage supply of a fluorescent lamp - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorwechselrichter zur Spannungsversorgung einer Leuchtstofflampe gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Derartige Wechselrichter werden für den Betrieb von Leuchtstofflampen aus Gleichspannungsbordnetzen, Akkumulatoren usw. benötigt und finden insbesondere auf Fahrzeugen des öffentlichen Verkehrs Anwendung. Sie sind aus statischen Bauelementen aufgebaut und häufig den Leuchten integriert. Solche Leuchten werden im allgemeinen als Transistorvorschaltleuchten bezeichnet. Die Wechselrichter arbeiten aus akustischen Gründen sowie zur Verkleinerung des Wechselrichtertransformators im 20-kHz-Bereich. Bisher wurden die nötigen Betriebsspannungen für die Leuchtstoffröhre, das sind die Heiz-, die Arbeits- und die Zündhilfswechselspannung, gleichzeitig angelegt. Es ergeben sich damit Einschalthäufigkeiten von ca. 20 000 bis 30 000 Schaltungen pro Lampe. The invention relates to a transistor inverter for supplying power to a fluorescent lamp in accordance with the preamble of claim 1. Such inverters are required for the operation of fluorescent lamps from direct voltage electrical systems, accumulators, etc. and are used in particular on vehicles in public transport. They are made up of static components and are often integrated into the lights. Such lights are generally referred to as transistor ballasts. The inverters operate for acoustic reasons and to reduce the size of the inverter transformer in the 20 kHz range. So far, the necessary operating voltages for the fluorescent tube, that is, the heating, the working and the auxiliary ignition voltage, have been applied simultaneously. This results in switch-on frequencies of approx. 20,000 to 30,000 switching operations per lamp.
Es ist bekannt, dass man die Lebensdauer solcher Leuchtstofflampen wesentlich, d. h. etwa um den Faktor 10 und mehr, erhöhen kann, wenn die Heizwendeln ständig vorgeheizt werden. Der ständige Heizstrom ist jedoch eine unerwünschte Dauerbelastung für Batterie und Lampe. It is known that the lifespan of such fluorescent lamps is significant, i. H. can increase by a factor of 10 or more if the heating coils are constantly preheated. The constant heating current is an undesirable permanent load for the battery and lamp.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer solcher wechselrichtergespeister Leuchtstofflampen zu erhöhen, die ständige Batteriebelastung zu vermeiden und solche Transi-storvorschaltgeräte oder Transistorwechselrichter hinsichtlich dieser Bedingungen sowie einer Erhöhung der Bilanz von Lichtleistung zu elektrischer Verbraucherleistung zu verbessern. The object of the invention is to increase the life of such inverter-fed fluorescent lamps, to avoid constant battery loading and to improve such transistor ballasts or transistor inverters with regard to these conditions and to increase the balance between light output and electrical consumer output.
Diese Aufgabe wird für einen Transistorwechselrichter der eingangs genannten Art entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In einer zweckmässigen Schaltung ist dazu die Sekundärwicklung für die Arbeitswechselspannung einerseits direkt und anderseits indirekt über einen in Serie geschalteten Triac an die Ausgänge für den Lampenanschluss gelegt, und der Triac ist vom Ladezustand eines an die Sekundärwicklung angeschlossenen Zündkondensators steuerbar. Sinnvoll ist weiterhin, dass der Zündkondensator mit seiner positiven Elektrode einerseits über eine Diode an dem einen Ende der Ausgangswicklung für die Arbeitswechselspannung liegt und anderseits über einen Diac mit der Zündelektrode des Triacs verbunden ist. This object is achieved for a transistor inverter of the type mentioned at the outset in accordance with the characterizing features of claim 1. In an expedient circuit, the secondary winding for the working alternating voltage is, on the one hand, directly and, on the other hand, indirectly connected to the outputs for the lamp connection via a triac connected in series, and the triac can be controlled by the state of charge of an ignition capacitor connected to the secondary winding. It also makes sense that the ignition capacitor with its positive electrode is connected on the one hand via a diode at one end of the output winding for the working AC voltage and on the other hand is connected to the ignition electrode of the triac via a diac.
Von Vorteil ist auch noch, dass zwischen dem Triac und dem einen Ausgang für den Lampenanschluss ein Hilfskondensator in Reihe geschaltet ist, der während der Zündverzögerungszeit über die Sekundärwicklung für die Zündhilfswechselspannung und eine Diode aufladbar ist. It is also advantageous that an auxiliary capacitor is connected in series between the triac and the one output for the lamp connection and can be charged during the ignition delay time via the secondary winding for the auxiliary ignition voltage and a diode.
Eine weitere Verbesserung wird dann erzielt, wenn die statischen Schaltmittel so ausgelegt sind, dass mit der Abgabe der Arbeitswechselspannung ein Absenken der Heizwechselspannung, vorzugsweise ein Abschalten erfolgt. Dazu ist zweckmässig, dass die Sekundärwicklung für die Arbeitswechselspannung über einen in Serie geschalteten Triac an die Ausgänge für den Lampenanschluss schaltbar ist, dass die Hauptheizwicklung des Wechselrichtertransformators über triacgeschaltete Anschlüsse die Heizwendeln der Leuchtstofflampe versorgt, und dass die Triacs für Arbeits- und Heizwechselspannung über zugeordnete Steuertransistoren ungleichen Leitungstyps sowie mittels eines von einer Hilfssekundärwicklung des Wechselrichtertransformators versorgten Zeitelements invers ansteuerbar sind. Von Vorteil ist ferner, dass die Anschlüsse für A further improvement is achieved if the static switching means are designed in such a way that the heating alternating voltage is lowered, preferably switched off, when the working alternating voltage is released. For this purpose, it is expedient that the secondary winding for the working AC voltage can be connected to the outputs for the lamp connection via a triac connected in series, that the main heating winding of the inverter transformer supplies the heating coils of the fluorescent lamp via triac-connected connections, and that the triacs for working and heating AC voltage via assigned Control transistors of different conductivity types and by means of a time element supplied by an auxiliary secondary winding of the inverter transformer can be inversely controlled. It is also advantageous that the connections for
2 2nd
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die Heizwendeln mit getrennten Sekundärwicklungen eines Heiztransformators verbunden sind, dessen Primärwicklung über einen einzigen Triac an die Hauptheizwicklung des Wechselrichtertransformators angeschlossen ist. Günstig ist auch, dass anstelle des Triacs für die Heizspannung eine Diodenbrücke Verwendung findet, deren Wechselstromanschlüsse in den Strompfad zwischen der Hauptheizwicklung und der Primärwicklung des Heiztransformators und deren Gleichstromanschlüsse in den Emitter-Kollektorpfad eines Steuertransistors gelegt sind. the heating coils are connected to separate secondary windings of a heating transformer, the primary winding of which is connected to the main heating winding of the inverter transformer via a single triac. It is also favorable that instead of the triac for the heating voltage, a diode bridge is used, the AC connections of which are placed in the current path between the main heating winding and the primary winding of the heating transformer and the DC connections of which are placed in the emitter-collector path of a control transistor.
Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen soll im nachstehenden die Erfindung näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail below with the aid of schematic exemplary embodiments.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 einen Transistorwechselrichter mit Leuchtstofflam-penanschluss 40 W ohne Absenken der Heizwechselspannung, 1 shows a transistor inverter with fluorescent lamp connection 40 W without lowering the heating AC voltage,
Fig. 2 einen solchen Transistorwechselrichter mit Leucht-stofflampenanschluss 40 W mit zusätzlichem Absenken der Heizwechselspannung, 2 such a transistor inverter with fluorescent lamp connection 40 W with additional lowering of the heating alternating voltage,
Fig. 3 einen Transistorwechselrichter gemäss Fig. 2, variiert für höhere Frequenzen und Temperaturen. Fig. 3 shows a transistor inverter according to Fig. 2, varies for higher frequencies and temperatures.
In der Fig. 1 ist von einem Transistorwechselrichter 1 (strichpunktiert umrahmt) nur der Ausgangstransformator 2 gezeigt. Der eigentliche Wechselrichterteil vor dem Ausgangstransformator 2 ist - da für die Erfindung nicht relevant und auch bekannt - nicht weiter dargestellt. Es wird z. B. von einem Transistorwechselrichter in symmetrischer Gegentaktschai-tung ausgegangen. An den Eingängen 3 und 4 des Wechselrichters liegt eine Betriebsgleichspannung von hier z. B. 24 V=. An die Ausgänge 5,6 und 7,8 sowie Z ist eine Leuchtstofflampe 9 angeschlossen. Über die Ausgänge 5,6 und 7,8 werden die Glühkathoden 10 und 11 der Leuchtstofflampe 9 beheizt und sind dazu direkt mit den Sekundärheizwicklungen 12 bzw. 13 des Ausgangstransformators 2 verbunden. Eine weitere Sekundärwicklung 14 für die Arbeitswechselspannung der Leuchtstofflampe 9 kann über einen Triac 15 an die Ausgänge 6 und 7 zwischen den beiden Glühkathoden 10 und 11 geschaltet werden. Die Zündhilfswechselspannung wird von einer weiteren Sekundärwicklung 16 erzeugt und liegt über Ausgang Z an einem Zündschirm 17 der Leuchtstofflampe 9. Soll die Arbeitswechselspannung an die Leuchtstofflampe 9 gelangen, muss der Triac 15 gezündet werden. Das geschieht, wenn ein Zündkondensator 18 über eine Diode 19 und einen Vorwiderstand 20 so weit aufgeladen ist, dass ein Durchbruch des Diacs 21 erfolgt und ein Zündstrom für den Triac 15 fHessen kann. In FIG. 1, only the output transformer 2 is shown of a transistor inverter 1 (framed by dash-dotted lines). The actual inverter part in front of the output transformer 2 is not shown because it is not relevant and also known for the invention. It is e.g. B. from a transistor inverter in symmetrical push-pull circuit. At the inputs 3 and 4 of the inverter there is a DC operating voltage from here, for. B. 24 V =. A fluorescent lamp 9 is connected to the outputs 5, 6 and 7, 8 and Z. The hot cathodes 10 and 11 of the fluorescent lamp 9 are heated via the outputs 5, 6 and 7, 8 and are directly connected to the secondary heating windings 12 and 13 of the output transformer 2. Another secondary winding 14 for the working alternating voltage of the fluorescent lamp 9 can be connected via a triac 15 to the outputs 6 and 7 between the two hot cathodes 10 and 11. The auxiliary ignition voltage is generated by a further secondary winding 16 and is connected to an ignition screen 17 of the fluorescent lamp 9 via output Z. If the working alternating voltage is to reach the fluorescent lamp 9, the triac 15 must be ignited. This happens when an ignition capacitor 18 is charged to such an extent via a diode 19 and a series resistor 20 that a breakdown of the diac 21 occurs and an ignition current for the triac 15 can be measured.
Wird der Wechselrichter eingeschaltet, dann fängt er frei an zu schwingen, und sofort werden die Glühkathoden 10 und 11 der Leuchtstofflampe 9 von den Sekundärwicklungen 12 und 13 an Spannung gelegt. Gleichzeitig liegt, von der Sekundärwicklung 16 kommend, die Zündhilfswechselspannung am Zündschirm 17 an. Die Lampen- oder Arbeitswechselspannung ist zunächst noch nicht vorhanden, da der Triac 15 noch nicht gezündet hat. Die an der Sekundärwicklung 14 anstehende Wechselspannung wird mittels einer Diode 19 gleichgerichtet und lädt über einen Vorwiderstand 20 einen Elektrolytkondensator 18 auf. Bei einer definierten Kondensatorspannung wird der Diac 21 leitend und zündet den Triac 15. Damit gelangt nach einer festliegenden Zeit z. B. xk bis 1 s, die durch Änderung des Vorwiderstandes 20 variiert werden kann, die Arbeitswechselspannung zeitverzögert an die Leuchtstofflampe 9, und diese kann zünden. Während der erwähnten Zündverzögerungszeit wird noch zusätzlich über die Sekundärwicklung 16 für die Zündhilfswechselspannung eine Diode 22 und über einen Vorwiderstand 23 ein Hilfskondensator aufgeladen. Im Zündzeitpunkt summiert sich dann die Hilfskondensatorspannung mit der Arbeitswechselspannung. Dies ergibt eine stossartige Spannungserhöhung, die auch bei negativen Temperaturen ein einwandfreies Zünden der Leuchtstofflampe 9 möglich macht. If the inverter is switched on, it starts to oscillate freely, and the hot cathodes 10 and 11 of the fluorescent lamp 9 are immediately energized by the secondary windings 12 and 13. At the same time, coming from the secondary winding 16, the auxiliary ignition voltage is present at the ignition screen 17. The lamp or working alternating voltage is initially not yet available because the triac 15 has not yet ignited. The AC voltage applied to the secondary winding 14 is rectified by means of a diode 19 and charges an electrolytic capacitor 18 via a series resistor 20. At a defined capacitor voltage, the diac 21 becomes conductive and ignites the triac 15. B. xk to 1 s, which can be varied by changing the series resistor 20, the working AC voltage delayed to the fluorescent lamp 9, and this can ignite. During the ignition delay time mentioned, a diode 22 is additionally charged via the secondary winding 16 for the auxiliary ignition voltage, and an auxiliary capacitor is charged via a series resistor 23. At the time of ignition, the auxiliary capacitor voltage then adds up to the working AC voltage. This results in an abrupt increase in voltage, which enables the fluorescent lamp 9 to be properly ignited even at negative temperatures.
Hat die Leuchtstofflampe gezündet, wird der Arbeitsstrom durch einen spannungsabhängigen Serienwiderstand 25 auf einen von der Betriebsspannung abhängigen Wert begrenzt. Dazu liegt dieser Serienwiderstnd 25 parallel zu einem weiteren Elektrolytkondensator 26, der mit seinem positiven Pol über eine Diode 27 an der Sekundärwicklung 14 und mit seinem negativen Pol mit dem gleichnamigen Pol des Zündkondensators verbunden ist. Mit 28 ist noch eine Entkopplungsdiode bezeichnet. If the fluorescent lamp has ignited, the working current is limited by a voltage-dependent series resistor 25 to a value dependent on the operating voltage. For this purpose, this series resistor 25 is connected in parallel to a further electrolytic capacitor 26, which is connected with its positive pole via a diode 27 to the secondary winding 14 and with its negative pole with the pole of the same name of the ignition capacitor. With 28 a decoupling diode is also designated.
Der Wechselrichter nach Fig. 2 für ein zusätzliches Absenken der Heizwechselspannung ist, soweit gleichartig mit dem nach Fig. 1 aufgebaut, mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Auch hier liegt an den Eingängen 3,4 des Wechselrichters 1 eine Betriebsgleichspannung von 24 V=. An die Ausgänge 5,6 und 7,8 ist wieder eine Leuchtstofflampe 9 mit ihren Heizwendeln 10,11 angeschlossen. Die Ausgänge 5,6 und 7,8 werden von getrennten Sekundärwicklungen 32 bzw. 33 eines Heiztransformators 34 gespeist, dessen Primärwicklung 35 an die Hauptheizwicklung 13 des Wechselrichtertransformators 2 über einen Triac 36 schaltbar ist. Mit 37 ist noch eine weitere Sekundärwicklung des Heiztransformators 34 bezeichnet, die für Tandembetrieb von 2mal 20 W Leuchtstofflampen Verwendung finden kann. Diese Wicklung entspricht der Wicklung 32. Gesteuert wird der Triac 36 von einem Steuertransistor 38, der von einem Zeitelement 39 mit Kippverhalten beeinflusst wird. Eine weitere Sekundärwicklung 14 des Wechselrichtertransfor-mators 2 dient der Abgabe der Arbeitswechselspannung für die Leuchtstofflampe 9 und ist über einen weiteren Triac 15 an die Ausgänge 6,7 zwischen den beiden Heizwendeln 10,11 schaltbar. Ein evtl. Hilfszündschirm 17 der Leuchtstofflampe 9 kann, wie angedeutet, an den Ausgang 6 angeschlossen werden. The inverter according to FIG. 2 for an additional lowering of the heating alternating voltage has been provided with the same reference numerals, insofar as it is constructed in the same way as that according to FIG. 1. Here, too, there is a DC operating voltage of 24 V DC at the inputs 3, 4 of the inverter 1. A fluorescent lamp 9 with its heating filaments 10, 11 is again connected to the outputs 5, 6 and 7, 8. The outputs 5, 6 and 7, 8 are fed by separate secondary windings 32 and 33 of a heating transformer 34, the primary winding 35 of which can be connected to the main heating winding 13 of the inverter transformer 2 via a triac 36. 37 is another secondary winding of the heating transformer 34, which can be used for tandem operation of 2 x 20 W fluorescent lamps. This winding corresponds to the winding 32. The triac 36 is controlled by a control transistor 38 which is influenced by a timing element 39 with a tilting behavior. Another secondary winding 14 of the inverter transformer 2 serves to deliver the working alternating voltage for the fluorescent lamp 9 and can be switched via a further triac 15 to the outputs 6, 7 between the two heating coils 10, 11. A possible auxiliary ignition screen 17 of the fluorescent lamp 9 can, as indicated, be connected to the output 6.
Soll die Arbeitswechselspannung an die Leuchtstofflampe 9 gelangen, muss der Triac 15 gezündet werden. Das geschieht, wenn das von einer besonderen Hilfssekundärwicklung 40 des Wechselrichtertransformators 2 über eine Gleichrichterbrücke 41 gespeiste Zeitelement 39 (Timer) einen Steuertransistor 42 durchsteuert, der auf das Gate des Triacs 15 wirkt. Die Steuertransistoren 42 und 38 sind von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp; so ist der Steuertransistor 42 hier zum Beispiel ein PNP-Transistor und der Steuertransistor 38 ein NPN-Tran-sistor. Beide Steuertransistoren 42 und 38 werden von Low/ High-Signalen am Ausgang 43 des Zeitelementes 39 in stets umgekehrter Weise beeinflusst. Wenn der Steuertransistor 42 leitend ist, befindet sich der Steuertransistor 38 im Sperrzustand und umgekehrt. Die weiteren Bezugszeichen 44 bis 47 stellen das Zeitelement 39 beeinflussende RC-Glieder dar. If the alternating working voltage is to reach the fluorescent lamp 9, the triac 15 must be ignited. This happens when the time element 39 (timer) fed by a special auxiliary secondary winding 40 of the inverter transformer 2 via a rectifier bridge 41 controls a control transistor 42 which acts on the gate of the triac 15. Control transistors 42 and 38 are of different conductivity types; the control transistor 42 is here, for example, a PNP transistor and the control transistor 38 is an NPN transistor. Both control transistors 42 and 38 are influenced by low / high signals at the output 43 of the time element 39 in always the opposite way. When control transistor 42 is conductive, control transistor 38 is off and vice versa. The further reference numerals 44 to 47 represent RC elements influencing the time element 39.
Zur Funktion: About the function:
Wird zu einem Zeitpunkt to der Wechselrichter durch Anlegen der Gleichspannung an die Anschlussklemmen 3,4 eingeschaltet und fängt an zu schwingen, dann sperrt das am Zeitelement 39, Ausgang 43 sofort anstehende High-Signal den PNP-Steuertransistor 42 und damit den Triac 15. Die Arbeitswechselspannung an der Sekundärwicklung 14 des Wechselrichtertransformators 2 gelangt damit zunächst nicht an die Anschlüsse 6 und 7. Dagegen wird der NPN-Steuertransistor 38 sofort durchgesteuert und gibt seinerseits Steuerstrom auf das Gate des Triacs 36, der die Heizwechselspannung aus der Hauptheizwicklung 13 des Wechselrichtertransformators 2 für den Heiztransformator 34 freigibt. Die Heizwendeln 10,11 (Glühkathoden) der Leuchtstofflampe 9 werden damit über die Anschlüsse 5,6 und 7,8 vorgeheizt. Nach einer definierten Zeit von z. B. einer halben bis einer Sekunde schaltet, abhängig von dem RC-Glied 44/45, das Zeitelement 39 im Zeitpunkt ti um. Das RC-Glied 46/47 dient als Starthilfe für das Zeitelement 39. Anstelle eines High-Signals am Ausgang 43 wird nun ein Low-Signal ausgegeben, das den PNP-Steuertransistor43 durchsteuert, wodurch der Triac 15 die Arbeitswechselspannung von Sekundärwicklung 14 über die Anschlüsse 6,7 an die Leucht- If the inverter is switched on at a time to by applying the DC voltage to the connection terminals 3, 4 and begins to oscillate, the high signal immediately present at the time element 39, output 43 blocks the PNP control transistor 42 and thus the triac 15 Working AC voltage on the secondary winding 14 of the inverter transformer 2 thus initially does not reach the connections 6 and 7. In contrast, the NPN control transistor 38 is turned on immediately and in turn gives control current to the gate of the triac 36, which supplies the heating AC voltage from the main heating winding 13 of the inverter transformer 2 releases the heating transformer 34. The heating filaments 10, 11 (hot cathodes) of the fluorescent lamp 9 are thus preheated via the connections 5, 6 and 7, 8. After a defined time of e.g. B. switches from half a second to one, depending on the RC element 44/45, the time element 39 at time ti. The RC element 46/47 serves as a starting aid for the time element 39. Instead of a high signal at the output 43, a low signal is now output, which controls the PNP control transistor 43, as a result of which the triac 15 supplies the working alternating voltage from the secondary winding 14 via the connections 6.7 to the luminous
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4 4th
stofflampe 9 legt. Gleichzeitig sperrt NPN-Steuertransistor 38, und der Triac 36 sperrt den Heizstrom über die Primärwicklung 35 des Heiztransformators 34. Die Heizwendeln 10,11 sind damit abgeschaltet. cloth lamp 9 sets. At the same time, the NPN control transistor 38 blocks and the triac 36 blocks the heating current via the primary winding 35 of the heating transformer 34. The heating coils 10, 11 are thus switched off.
In besonderen Fällen, insbesondere bei höheren Frequenzen und Temperaturen, können die Schalteigenschaften der derzeit gebräuchlichen Triacs zu wünschen übrig lassen. In diesen Fällen ist der Einsatz eines modifizierten Transistorschalters nach Fig. 3 zweckmässig. Er besteht aus einer Diodenbrücke 48 mit Steuertransistor 49 und kann anstelle des Triacs 36 mit Steuertransistor 38 nach Fig. 2 eingesetzt werden. Die Wechselstromanschlüsse der Diodenbrücke 48 sind dabei in den Strompfad zwischen der Hauptheizwicklung 13 und der In special cases, especially at higher frequencies and temperatures, the switching properties of the currently used triacs can leave something to be desired. In these cases, the use of a modified transistor switch according to FIG. 3 is expedient. It consists of a diode bridge 48 with control transistor 49 and can be used instead of the triac 36 with control transistor 38 according to FIG. 2. The AC connections of the diode bridge 48 are in the current path between the main heating winding 13 and
Primärwicklung 35 des Heiztransformators 34 und die Gleichstromanschlüsse in den Emitter-Kollektorpfad des Steuertransistors 49 gelegt. Gegebenenfalls kann statt eines speziellen Steuertransistors 49 auch der in Fig. 2 verwendete Steuertransi-5 stor 38 weiter verwendet werden. Primary winding 35 of the heating transformer 34 and the DC connections placed in the emitter-collector path of the control transistor 49. If necessary, instead of a special control transistor 49, the control transistor 38 used in FIG. 2 can also continue to be used.
Durch den beschriebenen Wechselrichter ergibt sich bei preislich günstiger und übersichtlicher Schaltung ein besserer Wirkungsgrad der Leuchtstofflampen bei erhöhter Lebensdauer durch verminderte Beanspruchung der Heizwendel. Bei io Fahrzeugen z. B. des öffentlichen Verkehrs wird die Fahrzeugbatterie weitgehend geschont, da der Wechselrichter nur bei Lichtbedarf einzuschalten ist The described inverter results in a better efficiency of the fluorescent lamps with an increased service life due to reduced stress on the heating filament, with inexpensive and clear circuitry. In io vehicles z. B. the public transport, the vehicle battery is largely spared, since the inverter can only be switched on when light is required
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PL | Patent ceased |