DE10148644A1 - Electrical circuit for dimming both half-waves of alternating voltage has field effect transistor with control voltage formed by optical coupler operated in synchronism with a.c. current - Google Patents
Electrical circuit for dimming both half-waves of alternating voltage has field effect transistor with control voltage formed by optical coupler operated in synchronism with a.c. currentInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Dimmen der beiden Halbwellen einer Wechselspannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to an electrical circuit for dimming of the two half-waves of an AC voltage after the Preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Eine derartige aus der DE 37 43 556 A1 bekannte Schaltung weist eine Gleichrichtervollbrücke auf, welche mit ihren Wechselstromeingängen über einen in Reihe liegenden Verbraucher mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist und in deren Diagonale der Gleichstromausgänge ein steuerbares Halbleiterbauelement geschaltet ist. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist hierzu in der Diagonalen der Gleichstromausgänge eine aus einer Trigger-Diode und einem Varistor bestehende Reihenschaltung, die von zwei komplementären Transistorstufen angesteuert werden, vorgesehen, um in den beiden Halbwellen der Wechselspannung einen Phasenanschnitt zu erreichen. Such a circuit known from DE 37 43 556 A1 has a full rectifier bridge, which with their AC inputs via a series Consumer is connected to an AC voltage source and in the diagonal of the DC outputs is a controllable Semiconductor component is switched. With the known Circuit arrangement is in the diagonal of the DC outputs one of a trigger diode and one Varistor existing series connection of two complementary transistor stages are driven, provided to in the two half-waves of the AC voltage Achieve leading edge.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, mit einem einfachen Schaltungsaufbau ein Dimmen der beiden Halbwellen einer Wechselspannung zu erreichen. In contrast, the object of the invention is with a simple circuit construction a dimming of the two half-waves one To achieve AC voltage.
Diese Aufgabe wird bei der elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. This task is the electrical circuit of the initially mentioned type by the characteristic features of the Claim 1 solved.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Advantageous further developments of the Invention specified.
Bei der Erfindung wird das steuerbare Halbleiterbauelement von einem Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet, dessen Source-Drain-Strecke in der Diagonalen der Gleichstromausgänge der Gleichrichtervollbrücke liegt. Die zwischen Gate und Source angelegte Steuerspannung des Feldeffekttransistors wird von einem synchron mit dem Wechselstrom betriebenen Optokoppler gebildet. Der Betrieb des Optokopplers und damit die zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors angelegte Steuerspannung wird vorzugsweise derart eingestellt, dass der Phasenanschnitt in den jeweiligen Nulldurchgängen des dem Verbraucher zugeführten Wechselstromes liegt. Hierzu wird die Schaltstrecke (Source-Drain-Strecke) des Feldeffekttransistors bei Beginn der jeweiligen Halbwelle durchgeschaltet und nach Ablauf eines bestimmten Teils der Halbwelle, welcher von der gewünschten Dimmung abhängt, wird der Durchlasswiderstand der Schaltstrecke so gesteuert, dass bei der restlichen Halbwelle ein verringerter Strom fließt, der am Ende (Nulldurchgang) der Halbwelle abgeschaltet wird, um das gewünschte Dimmen der jeweiligen Halbwelle zu erhalten. Bei der Erfindung wird ein weiches Abschalten, bei dem die im Nulldurchgang durchgeschaltete Schaltstrecke des MOSFET im Verlauf der Haltwelle in den Ohmschen Bereich gebracht wird und bei Erreichen oder in der Nähe des folgenden Nulldurchgangs in den Sperrbereich kommt und dann wieder bei Beginn der neuen Haltwelle durchgeschaltet wird. In the invention, the controllable semiconductor device formed by a field effect transistor (MOSFET), the Source-drain path in the diagonal of the DC outputs of the full rectifier bridge is. The between gate and source applied control voltage of the Field effect transistor is made by a synchronous with the alternating current operated optocoupler formed. Operation of the optocoupler and so that between the gate and source of the field effect transistor applied control voltage is preferably such set that the leading edge in each Zero crossings of the alternating current supplied to the consumer lies. For this purpose, the switching path (source-drain path) of the field effect transistor at the beginning of each Half-wave switched through and after a certain part the half-wave, which depends on the desired dimming, the forward resistance of the switching path becomes like this controlled that a reduced in the remaining half wave Current flows at the end (zero crossing) of the half wave is turned off to the desired dimming of each Get half wave. In the invention, a soft Switch off at which the switched through at zero crossing Switching distance of the MOSFET in the course of the hold wave in the Ohmic area is brought and when reached or in the Near the following zero crossing comes into the restricted area and then again at the start of the new shaft is switched through.
Durch die Erfindung wird ein Phasenanschnitts-Dimmer geschaffen, bei welchem ein Feldeffekttransistor (MOSFET) als weich schaltendes Bauteil verwendet wird. Die Ansteuerung des Feldeffekttransistors (MOSFET) erfolgt über einen Optokoppler, welcher die galvanische Trennung zwischen Netz und Niederspannung sicherstellt. Die Erfindung kommt vorzugsweise zur Steuerung des Versorgungsstroms von induktiven Verbrauchern z. B., Transformatoren und Elektromotoren zur Anwendung. Through the invention, a leading edge dimmer created in which a field effect transistor (MOSFET) as soft switching component is used. The control of the field effect transistor (MOSFET) takes place via a Optocoupler, which provides electrical isolation between the network and Ensures low voltage. The invention is coming preferably to control the supply current of inductive Consumers e.g. B., transformers and electric motors for Application.
Wenn der Verbraucher ein induktiver Verbraucher, beispielsweise die Primärseite eines Transformators ist, können durch Störungen an der über den Transformator betriebenen Last, beispielsweise Niedervoltleuchten, wie Halogenlampen, Induktivitätsverschiebungen sich ergeben. Beispielsweise beim Ausfall einer Niedervoltleuchte kann sich die Induktivität des Transformators um einen Phasenwinkel von annähernd 90° verschieben. Es ist dann nicht mehr gewährleistet, dass der Phasenanschnitt im jeweiligen Nulldurchgang des Stromes erfolgt. Bei einem Schalten außerhalb des Stromnulldurchgangs wird durch Selbstinduktion eine Gegenspannung erzeugt, welche ein Vielfaches der Versorgungsspannung erreichen kann. Dies führt zu einer unzulässigen Verlustleistung und Erwärmung des Feldeffekttransistors, so dass dieser nach einigen Schaltzyklen zerstört werden kann. Um dies zu vermeiden, ist eine Überwachungsschaltung vorgesehen, welche den Zeitpunkt des jeweiligen Phasenanschnitts überwacht und mit dem jeweiligen Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Wechselstroms vergleicht. Die Überwachungsschaltung kann hierzu einen Optokoppler aufweisen, dessen zeitliche Folge der optischen Signale mit den jeweiligen Nulldurchgängen des Wechselstroms für den Vergleich in Beziehung gesetzt wird. Die Überwachungsschaltung kann hierzu einen parallel zur Source-Drain- Strecke des Feldeffekttransistors geschalteten Ohmschen Widerstand aufweisen, an welchem die zur Erzeugung der optischen Signale des Optokopplers erforderliche Signalspannung abgegriffen wird. If the consumer is an inductive consumer, for example, the primary side of a transformer can by Faults in the load operated via the transformer, for example low-voltage lights, such as halogen lamps, Inductance shifts arise. For example at Failure of a low voltage lamp can affect the inductance of the transformer by a phase angle of approximately 90 ° move. It is then no longer guaranteed that the Leading edge in the respective zero crossing of the current he follows. When switching outside the current zero crossing a counter tension is generated by self-induction, which can reach a multiple of the supply voltage. This leads to an impermissible power loss and Heating of the field effect transistor, so that after some Switching cycles can be destroyed. To avoid this is a monitoring circuit is provided, which the time of the respective phase gating and monitored with the respective time of the zero crossing of the alternating current compares. The monitoring circuit can do this Have optocouplers, the temporal sequence of the optical Signals with the respective zero crossings of the alternating current is related for comparison. The Monitoring circuit can do this in parallel to the source drain Range of the field-effect transistor switched ohmic Have resistance to which the to generate the optical signals of the optocoupler required signal voltage is tapped.
Ferner können energiereiche Surge-Impulse (Überspannungsimpulse) ebenfalls zur Zerstörung des Feldeffekttransistors führen, da ein Überkopfzünden, wie bei einem Triac, zur Weiterleitung der Energie der Störimpulse nicht möglich ist. Zur Behebung dieses Problems ist in vorteilhafter Weise parallel zur Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors ein Varistor geschaltet, über welchen die Surge-Impulse abgeleitet werden. Vorzugsweise sind der Ohmsche Widerstand, an welchen die Signalspannung zur Erzeugung der optischen Signale des Optokopplers abgegriffen wird, und der Varistor zur Bildung eines Varistor-Widerstands-Spannungsteilers, der parallel zur Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors liegt, in Reihe geschaltet. Auch bei der Überwachungsschaltung wird eine galvanische Trennung zwischen Netz und Niederspannung durch den Optokoppler erreicht. Furthermore, high-energy surge impulses (Overvoltage pulses) also to destroy the field effect transistor cause overhead ignition, as with a triac, to Forwarding the energy of the interference pulses is not possible. To remedy this problem is advantageous parallel to the source-drain path of the field effect transistor a varistor is switched, via which the surge pulses be derived. The ohmic resistance is preferably at which the signal voltage for generating the optical Signals from the optocoupler is tapped, and the varistor to form a varistor-resistance voltage divider, the parallel to the drain-source path of the field effect transistor is connected in series. Even with the Monitoring circuit is a galvanic isolation between network and Low voltage reached by the optocoupler.
Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt: Using the figures, the Invention explained in more detail. It shows:
Fig. 1 ein Schalterbild eines Ausführungsbeispiels, und Fig. 1 is a switch diagram of an embodiment, and
Fig. 2 eine das Dimmen einer Wechselstromhalbwelle erläuternde Kurvendarstellung. Fig. 2 is a dimming an AC half-wave explanatory graph.
Die dargestellte elektrische Schaltung dient zum Dimmen der beiden Halbwellen eines von einer Wechselspannungsquelle gelieferten Wechselstromes. Hierzu ist eine Dimmerschaltung vorgesehen, die eine Gleichrichtervollbrücke V102 aufweist, welche mit ihren Wechselstromeingängen über eine Primärspule eines Beleuchtungstransformators TRAFO mit der Wechselspannungsquelle in Reihe geschaltet ist. Mit Hilfe eines Relais L5 erfolgt das Einschalten und Ausschalten. The electrical circuit shown is used for dimming the two half-waves one from an AC voltage source supplied alternating current. For this is a dimmer circuit provided that has a full rectifier bridge V102, which with their alternating current inputs via a primary coil of a lighting transformer TRAFO with the AC voltage source is connected in series. With the help of a relay L5 is switched on and off.
Die über den Transformator betriebene Beleuchtung kann aus einer oder mehreren Niedervoltlampen, insbesondere 12-V-Halogenlampen bestehen. Diese sind an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen. The lighting operated via the transformer can be switched off one or more low-voltage lamps, in particular There are 12 V halogen lamps. These are on the secondary side of the transformer connected.
Zur Bildung eines Phasenanschnittdimmers ist in die Diagonale der Gleichstromausgänge der Gleichrichterbrücke V 102 die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors (MOSFET) T1 geschaltet. Der Feldeffekttransistor ist vorzugsweise als selbstsperrender n-MOSFET ausgebildet. Die Ansteuerung des MOSFET erfolgt über einen ersten Optokoppler D4, dessen Phototransistor zur Lieferung der Steuerspannung zwischen Gate und Source des MOSFET T1 geschaltet ist. Die Kollektor- Ermitter-Spannung des Phototransistors bildet die Steuerspannung für den MOSFET T1. Diese Steuerspannung wird im Takt der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes zwischen Gate und Source des MOSFET T1 gelegt. Hierzu ist der Kollektor des Phototransistors des Optokopplers 4 über eine Diode V103 und in Reihe dazu geschaltete ohmsche Widerstände R20, R25 und R120 mit der Wechselspannungsquelle verbunden. Ein zur Kollektor-Emitter-Strecke des Phototransistors parallelgeschalteter Kondensator C104 dient zur Glättung der positiven Kollektor-Emitter-Spannung und eine Zener-Diode V105 bildet einen Überspannungsschutz für den Phototransistor. Die jeweilige Zeitdauer, innerhalb welcher die Source-Drain- Strecke in Abhängigkeit von der Steuerspannung im Takt der Wechselspannung durchgeschaltet und gesperrt ist, wird durch die vom Treiber gesteuerte Lumineszenzdiode (LED) des Optokopplers D4 bewirkt. Diese Steuerung erfolgt, wie Fig. 2 veranschaulicht, so, dass beim Nulldurchgang des Wechselstroms bei Beginn einer neuen Wechselstromhalbwelle die Source-Drain-Strecke auf Durchlass geschaltet wird und vor dem Erreichen des nachfolgenden Nulldurchgangs die Schaltstrecke (Source-Drain) des MOSFET T1 durch entsprechende Einstellung des Betriebs des Optokopplers 5 in den ohmschen Bereich gebracht und in der Nähe oder im nachfolgenden Nulldurchgang in den Sperrbereich gesteuert wird. Man erreicht hierdurch ein Dimmen der jeweiligen Halbwelle. Der Treiber beinhaltet für die Steuerung des Betriebs des Optokopplers 5 einen Prozessor, welcher die mit der Wechselspannung bzw. dem Wechselstrom synchrone Steuerung der Lumineszenzdiode des Optokopplers 5 bewirkt. In der Fig. 2 ist strichliert der normale Sinus-Verlauf des an den Wechselstromausgängen der Gleichrichterbrücke V 102 vorhanden Wechselstromes dargestellt und die durchgezogene Kurve stellt den Stromverlauf dar, welcher durch das Dimmen erreicht werden kann. Durch eine Nulldurchgang-synchrone Steuerung der MOSFET- Schaltstrecke in den Sperrbereich und dazwischen mit dem Betrieb des MOSFET im Durchschaltbereich und ohmschen Bereich erreicht man die gewünschte Wechselstromsteuerung durch Dimmen der jeweiligen Halbwellen. To form a phase gating dimmer, the source-drain path of a field effect transistor (MOSFET) T1 is connected to the diagonal of the DC outputs of the rectifier bridge V 102. The field effect transistor is preferably designed as a normally-off n-MOSFET. The MOSFET is controlled via a first optocoupler D4, the phototransistor of which is connected between the gate and source of the MOSFET T1 to supply the control voltage. The collector-emitter voltage of the phototransistor forms the control voltage for the MOSFET T1. This control voltage is applied in time with the alternating voltage or alternating current between the gate and source of the MOSFET T1. For this purpose, the collector of the phototransistor of the optocoupler 4 is connected to the AC voltage source via a diode V103 and ohmic resistors R20, R25 and R120 connected in series with it. A capacitor C104 connected in parallel to the collector-emitter path of the phototransistor serves to smooth the positive collector-emitter voltage and a Zener diode V105 forms overvoltage protection for the phototransistor. The respective time period within which the source-drain path is switched on and off depending on the control voltage in time with the alternating voltage is brought about by the luminescent diode (LED) of the optocoupler D4 controlled by the driver. This control takes place, as illustrated in FIG. 2, in such a way that when the AC current crosses zero at the start of a new AC half-wave, the source-drain path is switched to pass and before the subsequent zero crossing is reached, the switching path (source-drain) of MOSFET T1 is switched through corresponding setting of the operation of the optocoupler 5 is brought into the ohmic region and is controlled in the vicinity or in the subsequent zero crossing into the blocking region. This results in a dimming of the respective half-wave. For the control of the operation of the optocoupler 5, the driver contains a processor which effects the control of the luminescence diode of the optocoupler 5 synchronous with the alternating voltage or alternating current. In FIG. 2, the normal sine curve is shown by dashed lines of the alternating current outputs of the rectifier bridge 102 V alternating current present and the solid curve represents the current waveform, which can be achieved by dimming. Through a zero-cross-synchronous control of the MOSFET switching path in the blocking region and in between with the operation of the MOSFET in the switching region and ohmic region, the desired AC control is achieved by dimming the respective half-waves.
Die Reihenfolge der Steuerung des MOSFET zur Dimmung der jeweiligen Halbwelle kann auch umgekehrt werden, sodass bei Beginn der Halbwelle der MOSFET zunächst im ohmschen Bereich und bei der restlichen Halbwelle im Durchlassbereich betrieben wird. The order of control of the MOSFET for dimming the respective half-wave can also be reversed, so that at Beginning of the half-wave of the MOSFET first in the ohmic range and with the remaining half-wave in the pass band is operated.
Wenn beispielsweise durch einen Defekt an den Beleuchtungslampen aufgrund einer Phasenverschiebung der hohen Induktivität des Transformators durch Selbstinduktion Gegenspannungen erzeugt werden, die höher als die Versorgungsspannung sind, und das Schalten des MOSFET T1 außerhalb des Stromnulldurchgangs erfolgt, kann dies aufgrund der Verlustleistung zu hoher Erwärmung und Zerstörung des MOSFET führen. Ferner können Surge-Impulse ebenfalls den MOSFET zerstören. Hierzu ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zur Source-Drain-Strecke des MOSFET T1 ein aus einem Varistor R26 und einem Ohmschen Widerstand R28 bestehender Spannungsteiler vorgesehen. Die am Ohmschen Widerstand R28 stehende Spannung wird zum Betrieb einer Lumineszenzdiode (LED) eines zweiten Optokopplers D5 verwendet. Der Phototransistor des zweiten Optokopplers D5 ist an den Prozessor der Treiberstufe angeschlossen. Eine positive Kollektor- Emitter-Spannung wird von einer Gleichspannungsquelle (+ 5 V) über einen Ohmschen Widerstand R32 an den Phototransistor gelegt. Der Kollektor des Phototransistors ist an den Prozessor der Treiberstufe angeschlossen und der Emitter befindet sich auf Massepotential. If, for example, due to a defect in the Illumination lamps due to a phase shift of the high Inductance of the transformer through self-induction Counter voltages are generated that are higher than the supply voltage are, and the switching of the MOSFET T1 outside the Current zero crossing occurs, this can be due to the Power loss leads to high heating and destruction of the MOSFET. Surge pulses can also destroy the MOSFET. This is in the illustrated embodiment parallel to the source-drain path of the MOSFET T1 one out of one Varistor R26 and an ohmic resistor R28 existing Voltage divider provided. The on the ohmic resistor R28 standing voltage is used to operate a luminescent diode (LED) of a second optocoupler D5 used. The The phototransistor of the second optocoupler D5 is connected to the processor the driver stage connected. A positive collector Emitter voltage is from a DC voltage source (+ 5 V) via an ohmic resistor R32 to the phototransistor placed. The collector of the phototransistor is connected to the Processor of the driver stage connected and the emitter is at ground potential.
Die Lumineszenzdiode des zweiten Optokopplers D5 wird im Takt des Durchschaltes und Sperrens der Source-Drain-Strecke des MOSFET T1 betrieben. Entsprechende Signale werden dem Prozessor zugeleitet und der zeitliche Ablauf dieser optischen Signale wird mit den Nulldurchgängen des Wechselstroms, der die Primärseite des Transformators speist, verglichen. Hierdurch wird überwacht, ob der Phasenanschnitt phasengerecht im Nulldurchgang des Wechselstromes erfolgt. Die Abfragezeit wird hierbei stufenweise an den Phasenwinkel der Dimmung angepasst. Wenn das Dimmen der jeweiligen Halbwellen des Wechselstromes hiervon beispielsweise aufgrund eines Defekts im Beleuchtungssystem an der Sekundärseite des Transformators abweicht, ändert sich der Zeitablauf der optischen Signale des Optokopplers D5. Die Betätigung der Lumineszenzdiode des ersten Optokopplers D4 wird dann abgeschaltet. Es kann auch das Relais L5 abgeschaltet werden. The luminescence diode of the second optocoupler D5 is in the Clock of switching through and blocking of the source-drain path of the MOSFET T1 operated. Corresponding signals are the Processor forwarded and the timing of this optical signals is with the zero crossings of the AC current that feeds the primary side of the transformer compared. This monitors whether the phase gating in phase at the zero crossing of the alternating current. The query time is gradually based on the phase angle adjusted to the dimming. When dimming each Half waves of the alternating current due to this, for example a defect in the lighting system on the secondary side of the Transformer deviates, the timing of the changes optical signals of the optocoupler D5. The actuation of the Luminescence diode of the first optocoupler D4 is then off. The relay L5 can also be switched off.
Wenn in der Source-Drain-Strecke des MOSFET T1 Surge-Impulse auftreten, kann diese kurzzeitige Spannungsüberlastung durch den Varistor R26 abgeleitet werden. Diese Überspannung wird ferner durch den Optokoppler D5 detektiert, da die Versorgungsspannung der Lumineszenzdiode dieses Optokopplers am Ohmschen Widerstand R28, der mit dem Varistor R26 in Reihe geschaltet ist, abgegriffen wird. Der Prozessor kann dann ebenfalls den ersten Optokoppler D4 sofort abschalten. Wenn sich derartige Vorgänge der Überlastung wiederholen, kann die gesamte Beleuchtung durch entsprechende Bedienung des Relais L5 abgeschaltet werden. If in the source-drain path of the MOSFET T1 surge pulses this short-term voltage overload can occur the varistor R26 are derived. This surge will further detected by the optocoupler D5, since the Supply voltage of the luminescent diode of this optocoupler on Ohmic resistor R28, which is in series with the varistor R26 is tapped. The processor can then likewise immediately switch off the first D4 optocoupler. If such processes of overloading can be repeated the entire lighting by operating the Relay L5 can be switched off.
Beim oben dargestellten Ausführungsbeispiel wird die
Erfindung zur Beleuchtungssteuerung von Niedervoltlampen
beschrieben, wobei die Primärseite des
Beleuchtungstransformators angesteuert wird. Die Dimmerschaltung kann jedoch auch
zur Steuerung des Versorgungsstromes anderer induktiver
Verbraucher dienen und kommt vorzugsweise ferner bei der
Steuerung der Stromversorgung von Wechselstrommotoren zum
Einsatz. Durch die Erfindung wird ein Dimmen der jeweiligen
Halbwellen des Wechselstromes in der Weise erreicht, dass
der Phasenanschnitt durch den jeweiligen Nulldurchgang des
Wechselstromes verläuft. Der Wechselstrom behält daher
seines Sinus-Struktur bei.
Bezugszeichenliste
V102 Gleichrichtervollbrücke
Trafo Transformator
L5 Relais
D4 erster Optokoppler
D5 zweiter Optokoppler
V103 Diode
R20 ohmscher Widerstand
R25 ohmscher Widerstand
R26 Varistor
R28 ohmscher Widerstand
R32 ohmscher Widerstand
R120 ohmscher Widerstand
C104 elektrischer Kondensator
V105 Zener-Diode
T1 MOSFET
In the exemplary embodiment shown above, the invention for lighting control of low-voltage lamps is described, the primary side of the lighting transformer being controlled. However, the dimmer circuit can also be used to control the supply current of other inductive consumers and is preferably also used to control the power supply of AC motors. The invention achieves dimming of the respective half-waves of the alternating current in such a way that the phase gating runs through the respective zero crossing of the alternating current. The alternating current therefore maintains its sine structure. REFERENCE LIST V102 rectifier full bridge
Transformer transformer
L5 relay
D4 first optocoupler
D5 second optocoupler
V103 diode
R20 ohmic resistance
R25 ohmic resistance
R26 varistor
R28 ohmic resistance
R32 ohmic resistance
R120 ohmic resistance
C104 electrical capacitor
V105 Zener diode
T1 MOSFET
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