CN108418197B - 用于运行电子保护开关的方法和电子保护开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行电子保护开关的方法和电子保护开关。电子保护开关(2)具有接驳在电压输入端(12)与负载输出端(14)之间的半导体开关(8)，其在接入和/或接通容性负载(6)时依赖于在负载输出端上检测到的输出电压(Va)地受驱控，将输出电压与所存储的电压阈值(Vs)进行比较，在达到或低过电压阈值时将限制由半导体开关引导的负载电流(IL)的电流边界值(Ig)从额定值(IN)调整到相对于额定值升高的第一阶梯值(Is1)，将电流边界值从第一阶梯值阶梯式减小到初始的额定值(IN)，当输出电压在电流边界值(Ig)阶梯式减小之后的触发持续时间(Ta)期间仍未达到电压阈值(Vs)，就断开半导体开关。

Description

用于运行电子保护开关的方法和电子保护开关
技术领域
本发明涉及用于运行电子保护开关的方法，该电子保护开关具有接驳在电压输入端与负载输出端之间的半导体开关，该半导体开关在接入和/或接通容性负载时依赖于在负载输出端上检测到的输出电压地受驱控。本发明还涉及能根据这种方法运行的电子保护开关。
背景技术
这种电子保护开关例如在DE 203 02 275 U1中进行了说明。电子保护开关具有形式为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的半导体开关，半导体开关在运行电压联接端(电压输入端)与负载联接端之间接驳到电流路径中。为了在直流电压网中实现可靠的电流限制，将由电流路径中的电流传感器检测到的测量值输送给调节装置的比较器输入端。在存在接入信号时并在测量值低过参考值时，调节装置控制导通半导体开关，而在测量值超过参考值时，调节装置控制截止半导体开关并且将流经该半导体开关的电流限制在参考值上。
由EP 1 186 086 B1公知了一种在低伏特范围内的，尤其在24V DC(直流电)范围内的电流分配系统，其具有一定数量的分别具有作为短路保护和/或过载保护的电子保护开关的电流回路。这些电流回路借助时钟脉冲的电源件来共同供电。在过载情况下，在超过能调整的电流阈值的情况下，例如在是额定电流(IN)的1.1倍的情况下，在延迟时间期满之后进行对电子保护开关的截止，而在短路情况下，首先进行电流限制并且在超过另外的电流阈值(例如2×IN)的情况下，在特定的切断时间期满之后进行对电子保护开关的截止。
由EP 1 150 410 A2公知了一种借助微处理器经由触发回路驱控的电子保护开关，其利用时间延迟中断通向负载的能量供应。对保护开关的不完全中断事先或同时进行。
由EP 1 294 069 B1也公知了利用多个开关块进行的对电子保护开关的不完全中断，这些开关块分别具有形式为MOSFET的电子开关和经由共同的微处理器控制这些电子开关的比较器。在过电流的情况下，在不完全禁止至少一个开关随后的时间延迟之后中断通向负载的能量供应。
为了接驳尤其是容性负载并且/或者为了它以防发生过电流和短路，电子保护开关的半导体开关被用作用于给电容充电的恒定电流源。半导体开关和尤其是在此使用的MOSFET必须能够在接驳期间或在电容充电过程中承载由于接入电流所导致的损耗功率。基于该情况，电子保护开关，尤其是具有主动的电流限制的电子保护开关通常被设计成具有过大规格的半导体开关(MOSFET)，以便充分考虑该损耗功率。然而，所使用的半导体开关的这种规格确定却导致成本花费的升高和在电子保护开关的电路内部的相应大的空间需求。
容性负载在接入或接通时刻时是未充电的，并且因此可以容纳大量电子。由此，电容的阻抗在接入时非常小，由此出现很高的通过电流，这类似于短路电流。由于强的电流负载而导致了保护开关的输出电压跌落。保护开关典型地具有能调整的针对过载情况的电流阈值，例如是额定电流的1.25倍或1.5倍，在接入或加入容性负载时通过电流被限制到该电流阈值。这会导致的是，容性负载的充电时间比保护开关在发生短路时的切断时间(触发时间)更长。由此可能触发保护开关，由此使负载无法被可靠地接入。这尤其是在具有多个负载的电流回路中导致，在输出电压跌落的情况下另外的所联接的负载失灵和/或逐渐变成恶化的状态。
DE 10 2014 012 828 A1描述了一种电子保护开关，其具有在对容性负载充电过程期间的动态电流限制。所公知的保护开关检测负载电流或半导体电流以及在半导体开关(MOSFET)上下降的电压(源极-漏极电压)，其中，由此产生针对半导体开关的驱控信号。在此，结合驱控信号将半导体开关的功率调整到最大功率值。
在DE 10 2015 219 545 B3中描述了一种电子保护开关，其具有半导体开关和与之接合的控制单元，该控制单元在过载或短路情况下或在接入到电容负载上时，首先导致电流限制。为此，在考虑半导体开关的最大功率损耗的情况下调整输出电流的给定值。
EP 1 150 410 A2公开了一种电子保护开关，在其中，半导体开关和电流传感器与所联接的负载串联。保护开关还具有控制单元，在其中存储了三个电流阈值，其中，半导体开关依赖于所存储的电流阈值与通过电流传感器检测到的输出电流进行的电流阈值比较地受驱控。
EP 1 186 086 B1描述了一种电流分配系统，其具有一定数量的电流回路，这些电流回路分别具有作为短路或过载保护的带半导体开关的保护开关。在此，保护开关或每个保护开关包括能调整的电流限制部，其中，在超过能调整的第一电流阈值的过载情况下，在能调整的第一切断时间期满之后进行对半导体开关的截止，并且其中，在短路情况下，实现通过半导体开关将电流限制到能调整的第二电流阈值并且在第二切断时间期满之后对半导体开关的截止。
在DE 203 02 275 U1中描述了一种电子保护开关，其具有半导体开关、与之串联的电流传感器以及调节装置，该调节装置用于依赖于借助电流传感器检测到的测量值地以限制电流的方式驱控半导体开关。将检测到的测量值与参考值一起输送给调节装置的比较器，其中，在测量值超过参考值时，通过调节装置控制截止半导体开关并且因此将流动的电流限制到参考值。
DE 10 2012 103 551 B4公开了一种电子保护开关，其具有能借助控制单元控制的开关装置和电流传感器以及电压传感器。在此，当结合通过电流传感器检测到的输出电流确认短路时，控制单元断开开关装置。当最后一次断开开关装置之后借助电压传感器检测到的输出电压与最后一次断开开关装置之前借助电压传感器检测到的输出电压之间的差超过所存储的电压阈值时，控制装置紧接着再次闭合开关装置。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种特别合适的用于运行电子保护开关的方法。本发明的任务还在于，说明一种能根据这种方法运行的电子保护开关。
根据本发明，在方法方面的任务利用如下的用于运行电子保护开关的方法来解决，并且在保护开关方面的任务利用如下的电子保护开关来解决。
在根据本发明的用于运行电子保护开关的方法中，所述电子保护开关具有接驳在电压输入端与负载输出端之间的半导体开关，所述半导体开关在接入和/或接通容性负载时依赖于在所述负载输出端上检测到的输出电压地受驱控，
-其中，将所述输出电压与存储的电压阈值进行比较，
-其中，在达到或低过所述电压阈值时，将限制由所述半导体开关引导的负载电流的电流边界值从额定值调整到相对于所述额定值升高的第一阶梯值，
-其中，将所述电流边界值从所述第一阶梯值阶梯式减小到初始的额定值，
-其中，当所述输出电压在所述电流边界值阶梯式减小之后的触发持续时间期间未达到所述电压阈值，断开所述半导体开关，并且
-其中，在所述第一阶梯值与所述额定值之间设置有至少一个在阶梯式减小时将所述电流边界值调整到的第二阶梯值。
根据本发明的电子保护开关具有半导体开关，所述半导体开关接驳在电压输入端与负载输出端之间以及在控制侧被引导至控制器上，所述控制器被设置和设立成用于执行上述的用于运行电子保护开关的方法。
本发明具有有利的设计方案和改进方案。
根据本发明的方法适合于且被设立成用于运行具有接驳在电压输入端与负载输出端之间的半导体开关的电子保护开关。在接入和/或接通容性负载时，依赖于在负载输出端上检测到的输出电压或负载电压地驱控例如实施为MOSFET的半导体开关。
根据该方法设置的是，将检测到的输出电压与所存储的电压阈值进行比较。电压阈值例如结合检测到的在电压输入端与负载输出端之间的运行电压同固定的阈值之间的差来确定。在示例性的实施方式中，固定的阈值被设定为12V。如果在此检测到例如25V的运行电压，就设定电压阈值为25V-12V＝13V并且将其存储用于与输出电压进行阈值比较。
如果输出电压达到或低过电压阈值，就将电流边界值从额定值调整到相对于额定值升高的第一阶梯值。由半导体开关引导的负载电流(输出电流)或半导体电流在此在运行期间被限制到各自的电流边界值上。
优选地，额定值基本上相应于保护开关的或半导体开关的额定电流，即开关在正常运行中以额定电压(测定电压(Bemessungsspannung))进行供应的情况下为了输出其额定功率而容纳的那个电流强度。因此，额定电流尤其被理解为测定电流(DIN-EN 60934)，尤其是应持久地流经保护开关的设定的电流。
根据该方法，紧接着将电流边界值从第一阶梯值阶梯式减小到初始的额定值。当输出电压在电流边界值阶梯式减小之后的触发持续时间期间未达到电压阈值，断开半导体开关。也就是将其切换成截止的或不导电的。这意味着，触发了保护开关。如果超过电压阈值，负载或输出电压就在期望的电压范围内。换而言之，只有当没有达到电压阈值时，才触发保护开关。由此，实现了特别合适的用于运行电子保护开关的方法。
因此，根据本发明的方法以暂时提高电流限制或电流边界值来对联接容性负载和/或在接入时对容性负载作出反应。紧接着阶梯形(逐步地)减小通过电流边界值预定的电流限制，直至其到达初始的额定值。紧接着延续了触发持续时间地保持初始的额定值。因此，大致阶梯形的电流限制基本上呈现出关于在接入或加入容性负载时的实际电流变化曲线的包络曲线。如果输出电压在触发持续时间期间继续位于或重新位于电压阈值之下(或等于电压阈值)，就识别出故障情况，例如短路，由此触发了保护开关，并且因此中断电压输入端与负载输出端之间的电流路径。
在有利的改进方案中，在第一阶梯值与额定值之间设置有至少一个在阶梯式减小时将电流边界值调整到的第二阶梯值。换而言之，阶梯式的电流限制具有至少两个阶梯。优选地，在此设置在五个至二十五个阶梯之间。由此，实现了特别准确的针对在接入或加入容性负载时的实际的电流变化曲线的包络曲线。在合适的改进方式中，阶梯的数量以及分别所配属的阶梯值优选能由使用者调整。
在合适的实施方案中，在各自的阶梯持续时间之后将电流边界值减小到下一个值。换而言之，每个阶梯值具有所配属的阶梯持续时间，其中，在各自的阶梯持续时间期满之后转换到下一个阶梯值或额定值。由此，可以实现在对电流限制的阶梯式减小期间在阶梯值之间的简单且适宜的转换。
在适宜的设计方案中，各个阶梯值具有等长的阶梯持续时间。这意味着，在对电流限制的阶梯式减小期间为每个阶梯值配属有相同的阶梯持续时间。由此，实现了特别合适的阶梯持续时间的规格确定。
该方法的附加或另外的方面设置的是，触发持续时间等于各个阶梯持续时间之和。这意味着，针对阶梯式的电流限制的持续时间基本上等于触发持续时间。
在合适的设计方式中，针对阶梯式的电流限制的持续时间和触发持续时间结合电子保护开关的短路探测时间来确定规格。短路探测时间，也就是在短路的情况下用于电子式切断或断开半导体开关的探测或切断时间，通常依赖于负载电流的额定值或额定电流。如果短路探测时间为例如100ms(毫秒)，则阶梯式的电流限制和触发持续时间就分别具有例如50ms的持续时间。
在合适的构造方案中，将电流限制提高到等于额定值的数倍，尤其是三倍的第一阶梯值。由此，实现了对第一阶梯值的特别有利的规格确定。
根据本发明的电子保护开关包括半导体开关，该半导体开关接驳在电压输入端与负载输出端之间以及在控制侧被引导至控制器(控制单元)上。
控制器在此通常(在程序技术和/或电路技术上)被设立成用于执行上述的根据本发明的方法。因此，控制器尤其被设立成用于执行输出电压的阈值比较和借助电流限制来限制负载或半导体电流以及将电流限制从额定值提高到第一阶梯值并且紧接着阶梯式减小。
控制器至少在核心中通过具有处理器和数据存储器的微控制器形成，在微控制器中，在程序技术上施行用于执行根据本发明的方法的形式为运行软件(固件)的功能，从而该方法(必要时以与用户交互的方式)在实施运行软件的情况下在微控制器中自动地执行
但是，在本发明的范围内的可能的实施方式中，控制器替选地也通过能编程的电子构件，例如专用的集成电路(ASIC)形成，在其中，利用电路技术上的器件施行用于执行根据本发明的方法的功能。
附图说明
下面结合附图详细阐述本发明的实施例。其中：
图1以示意性的框图示出电子保护开关，其具有布置在电流控制部的正路径(Pluspfad)中的半导体开关以及具有能驱控该半导体开关的控制器；
图2以流程图示出在接入或加入容性负载时的电子保护开关的运行方法的方法进程；
图3以电流-时间图表示出在对保护开关的阶梯式电流限制期间容性负载的负载电流的变化曲线；
图4以电流/电压-时间图表示出在不间断的过载电流的情况下保护开关的输出电压和通过电流限制部来限制的负载电流的变化曲线；
图5以电流/电压-时间图表示出在保护开关未被触发的情况下在接入容性负载期间保护开关的输出电压和负载电流的变化曲线；以及
图6以电流/电压-时间图表示出在保护开关被触发的情况下在接入容性负载期间保护开关的输出电压和负载电流的变化曲线。
彼此相应的部分和参量在所有附图中都配设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1中示意性示出的电子保护开关2被连到电源件4的电流源或电压源与容性负载6之间的电流回路中。保护开关2包括形式为MOSFET的功率晶体管或半导体开关8，其接驳在电流路径10，即保护开关2的正路径中。
电流路径10在运行电压联接端或电压输入端12与正的负载联接端或负载输出端14之间延伸。要接驳的负载6的正极联接到负载输出端14上，而负极联接到保护开关2的相应的负的负载联接端16上。该负载联接端16在所示的实施例中被引向接地GND。
由电源件4的电流源或电压源产生的形式为例如具有24V(DC)的直流电压的运行或输入电压Ve施加到保护开关2的电压输入端12上。
在电源件4已联接和负载5已联接的情况下，在保护开关2运行时，输出或负载电流IL从电压输入端12出发经由电流路径10且因此经由半导体开关8的漏极-源极路段以及经由负载6流向参考电势或接地GND。在负载输出端14与16之间借助整合到保护开关2中的电压传感器18来检测在负载6处下降的负载或输出电压Va。
半导体开关8借助漏极联接端20和源极联接端22连到电流路径10中。半导体开关8的栅极联接端24在驱控侧被引导到保护开关2的控制器26上。例如被实施为微控制器的控制器26在信号技术上接合到电压传感器18上。在正常运行期间，控制器26借助电流限制将负载电路IL或流过半导体开关8的源极-漏极电流限制到电流边界值Ig，该电流边界值例如等于额定值IN，即保护开关2的额定电流。
在图2中示出的流程图中阐明了如下的运行方法，该运行方法尤其在将电子保护开关2接入到容性负载6上时或在加入容性负载6时也适用。在开始28之后，这意味着例如伴随接入电子保护开关2，进行询问或阈值比较30：检测到的输出电压Va是否小于所存储的电压阈值Vs。
如果输出电压Va低过电压阈值Vs，就在方法步骤32中将电流边界值Ig提高到第一阶梯值Is1。在此，阶梯值Is1具有比初始的额定值IN更高的值。阶梯值Is1尤其是额定值IN的数倍，即例如Is1＝a*IN，其中，在可能的实施方案中，a＝3。紧接着，延续阶梯持续时间Ts1地实施保护开关2的电流限制，这意味着，延续阶梯持续时间Ts1地，负载电流IL被限制到电流边界值Ig＝Is1。为了该目的，在方法步骤32之后启动计时器或测时器，其检测并监控时间t：时间t是否已经达到阶梯持续时间Ts1。
在阶梯持续时间Ts1之后，在方法步骤34中将电流边界值降低到第二阶梯值Is2。在此，第二阶梯值Is2小于之前的阶梯值Is1并且大于初始的额定值IN。阶梯值Is2尤其是额定值IN的数倍，即，例如Is2＝b*IN，其中，在可能的实施方案中，b＝2.65。紧接着，重新启动计时器，该计时器询问：时间t是否达已经到阶梯持续时间Ts2。
紧接着阶梯式连续降低或减小电流边界值Ig，直至在方法步骤36中，电流边界值Ig被设为初始的额定值IN，即Ig＝IN。在此，在随后的阈值比较38中检查：输出电压Va是否继续低过或重新低过电压阈值Vs。如果输出电压Va小于电压阈值Vs，启动针对触发持续时间Ta的另外的计时器。在触发持续时间Ta期间，再次检查：输出电压Va是否小于电压阈值Vs。
如果在触发持续时间Ta期间输出电压Va不超过电压阈值Vs，在方法步骤40中就触发保护开关2。为此，由控制器26断开半导体开关8或将其切换成截止。紧接着，该方法在方法步骤42中结束。
下面结合图3至图6详细阐述前述的方法的效果。
图3以电流-时间图表示出了在保护开关2的具有阶梯形的电流限制的接入过程期间容性负载6的负载电流IL的示意性的变化曲线。在此，沿着水平的横轴(x轴)描绘了时间t。沿着竖直的纵轴(y轴)描绘了电流I。
在接入或接通时刻，容性负载6是未充电的并且因此可以容纳大量电子。由此，容性负载6的阻抗在接入时非常小，由此出现类似于短路电流的很高的通过电流。由于很强的电流负载导致保护开关2的输出电压Va的跌落。由此，在方法步骤30中，输出电压Va低过电压阈值Vs，从而借助电流边界值Ig将电流限制升高到阶梯值Is1。
在该实施例中，电流边界值Ig在阶梯持续时间Ts1之后阶梯式或逐步地降低或减小到阶梯值Is2延续阶梯持续时间Ts2，并且降低或减小到阶梯值Is3延续阶梯持续时间Ts3，以及降低或减小到阶梯值Is4延续阶梯持续时间Ts4。在阶梯持续时间Ts4之后，电流边界值Ig最后被设为额定值IN。紧接着，延续触发持续时间Ta地保持住初始的额定值IN。(如在图3中比较明显看出的那样)因此阶梯式的电流限制44基本上呈现出关于在接入或加入容性负载6时的负载电流IL的实际电流变化曲线的包络曲线。在该实施方式中，阶梯持续时间Ts1、Ts2、Ts3和Ts4优选被测定为全部等长。
图4的实施例以电流/电压-时间图表示出了在故障情况下的容性负载6的负载电流IL的变化曲线和输出电压Va的变化曲线。在此，沿着水平的横轴(x轴)描绘了时间t。沿着竖直的纵轴(y轴)描绘了电流I或电压U。
在该实施例中，保护开关具有大约2A(安培)的额定电流。在时刻t0，保护开关2以大约8A的电流来受载。这导致输出电压Va的跌落。因此，电流边界值Ig被设为阶梯值Is1延续阶梯时长Ts1。在该实施例中，第一阶梯值Is1具有6A的值。在该实施例中，电流开关2持久地以8A来受载，从而将电流限制到阶梯值Is1不足以使输出电压Va又升高。在例如规格被确定为122ms的阶梯持续时间Ts1之后，将电流边界值Ig减小到大约5.3A的阶梯值Is2。紧接着，将电流边界值阶梯式减小到大约4.5A的阶梯值Is3并阶梯式减小到大约3.7A的阶梯值Is4并阶梯式减小到额定值IN，该额定值的规格在该实施例中被确定为2.8A。额定值IN在大约500ms的触发持续时间Ta期间被保持并且检验：输出电压Va是否继续低过电压阈值Vs。如果在此输出电压Va在触发持续时间Ta之后仍跌落，紧接着就触发保护开关2。
在图5的实施例中以电流/电压-时间图表示出了在接入容性负载6时容性负载6的负载电流IL的变化曲线和输出电压Va的变化曲线。
在图5的实施例中，保护开关2具有4A的额定值并且以大约2.4A的基本负载来受载。在时刻t0，43000μF的电容作为负载6被加入。输出电压Va首先崩塌，由此开始了阶梯形的电流限制44。由于输出电压Va在触发持续时间Ta之内又被充分地构建并且因此超过电压阈值Vs，因此不触发保护开关2，从而负载6被加入，而由此不会切断电流回路中的其它负载或者不会使它们处于恶化的状态中。
在图6的实施例中，触发持续时间Ta大致等于阶梯形的电流限制44的持续时间。在该实施方案中，保护开关2具有3A的额定值并且以大约2.4A的基本负载来受载。在时刻t0，43000μF的电容作为负载6被加入。输出电压Va首先崩塌，由此开始了阶梯形的电流限制44。由于输出电压Va在触发持续时间Ta期间不再被充分地构建并且因此没有超过电压阈值Vs，因此触发了保护开关2。
附图标记列表
2 保护开关
4 电源件
6 负载
8 半导体开关
10 电流路径/正路径
12 电压输入端
14 负载联接端/负载输出端
16 负载联接端
18 电压传感器
20 漏极联接端
22 源极联接端
24 栅极联接端
26 控制器
28 开始
30 阈值比较
32、34、36 方法步骤
38 阈值比较
40、42 方法步骤
44 电流限制
GND 接地
Ve 输入电压
IL 负载电流
Va 输出电压
Vs 电压阈值
IN 额定值
Ig 电流边界值
Is1、Is2、Is3、Is4 阶梯值
Ts1、Ts2、Ts3、Ts4 阶梯持续时间
t 时间
Ta 触发持续时间
I 电流
U 电压
t0 时刻

Claims (7)

1.用于运行电子保护开关(2)的方法，所述电子保护开关具有接驳在电压输入端(12)与负载输出端(14)之间的半导体开关(8)，所述半导体开关在接入和/或接通容性负载(6)时依赖于在所述负载输出端(14)上检测到的输出电压(Va)地受驱控，
-其中，将所述输出电压(Va)与存储的电压阈值(Vs)进行比较，
-其中，在达到或低过所述电压阈值(Vs)时，将限制由所述半导体开关(8)引导的负载电流(IL)的电流边界值(Ig)从额定值(IN)调整到相对于所述额定值升高的第一阶梯值(Is1)，
-其中，将所述电流边界值(Ig)从所述第一阶梯值(Is1)阶梯式减小到初始的额定值(IN)，
-其中，当所述输出电压(Va)在所述电流边界值(Ig)阶梯式减小之后的触发持续时间(Ta)期间未达到所述电压阈值(Vs)，断开所述半导体开关(8)，并且
-其中，在所述第一阶梯值(Is1)与所述额定值(IN)之间设置有至少一个在阶梯式减小时将所述电流边界值(Ig)调整到的第二阶梯值(Is2、Is3、Is4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述电流边界值(Ig)在各自的阶梯持续时间(Ts1、Ts2、Ts3、Ts4)之后减小到下一个值(Is2、Is3、Is4、IN)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，各个阶梯值(Is1、Is2、Is3、Is4)具有等长的阶梯持续时间(Ts1、Ts2、Ts3、Ts4)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于具有等于各个阶梯持续时间(Ts1、Ts2、Ts3、Ts4)之和的触发持续时间(Ta)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将所述电流边界值(Ig)提高到等于所述额定值(IN)的数倍的第一阶梯值(Is1)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将所述电流边界值(Ig)提高到等于所述额定值(IN)的三倍的第一阶梯值(Is1)。
7.电子保护开关(2)，所述电子保护开关具有半导体开关(8)，所述半导体开关接驳在电压输入端(12)与负载输出端(14)之间以及在控制侧被引导至控制器(26)上，所述控制器被设置和设立成用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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