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Schaltungen üblicher
Ausführung, wie beschrieben in der
Motorola Publikation:
"TMOS PowerFET Design Ideas" Issue:A 1985 S11, haben, wenn Sie
nur einen Impulstrafo anwenden, zwei sekundäre Wicklungen.
Hierbei ist die Wechselstromansteuerung mit nur einer primären
Steuerleitung in der Frequenz eingeschränkt, da eine Signalansteuerung zum
Einschalten eines MOSFETs nur so lange gesichert erfolgen kann,
wie der Impulstransformator nicht in die magnetische Sättigung
geht.
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Hat
man die Absicht mit nur einem Impulstransformator eine niedrige
Takt-Frequenz an einem sekundärseitigen MOSFET zu erzeugen,
zum Beispiel im Bereich von 500 Hz, so wird die bauliche Ausführung
eines solchen Ansteuertrafos unwirtschaftlich groß. Falls
man eine Ansteuerung mit baulich kleinen Impulstrafos vornehmen
möchte, wie Sie in dem Patent
DE 4312300 B4 beschrieben
ist, so muss man zwei Impulstransformatoren einsetzen. Die Steueraufgabe
des Ein- und Ausschaltens jeweils eines MOSFETs wird dabei auf zwei
unterschiedliche kleine Transformatoren, also zwei physikalisch
unterschiedliche Signalkanäle aufgeteilt.
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Der
Nachteil dieser Schaltung besteht also darin, dass man zwei Impulstransformatoren
einsetzen muss.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht nun, mit nur einem kleinen
Impulstransformator entgegen gerichtete und potenzial getrennte
Signale zu übertragen, ohne dass diese in der Bandbreite
zu niedrigen Frequenzen hin, durch magnetische Sättigung des
Impulstransformators eingeschränkt werden.
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Dies
wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen
erreicht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltung können
entgegen gerichtete Signale, potenzial getrennt, mit nur einem Impulstransformator übertragen
werden, bei dem eine oder zwei Wicklungen durch zwei Transistoren
richtungs gebunden kurz geschlossen werden, sodass ein ungewolltes
Steuersignal auf der sekundären Seite in falscher Richtung
in Folge einer Kernsättigung mit ungewolltem Entmagnetisierungsimpuls
des Impulstransformators in Gegenrichtung vermieden wird.
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Die
primären Steuersignale werden auf der Sekundärseite
weiter verarbeitet. Es stehen im Wechsel zwei unterschiedliche Kanäle
ohne Einschränkung der Bandbreite zur Verfügung.
Ein Kanal K1 kann zum Beispiel ein erstes Signal SIG1 zum Einschalten,
der andere entgegen gerichtete Kanal K2, kann als zweites Signal
SIG2 zum Ausschalten genutzt werden. Es wird aber vermieden, dass
bereits unmittelbar am Ende von SIG1 ein ungewolltes, entgegen gerichtetes
zweites Signal im Kanal 2 entsteht, obwohl ein zweites Signal SIG2
erst zu einem späteren Zeitpunkt folgen soll oder umgekehrt.
Zu diesem Zweck schließt je ein Transistor richtungsgebunden
nach jedem Signal SIG1 oder SIG2 jeweils eine, zum betreffenden
Signal entgegen gerichtete zugeordnete Wicklung elektrisch kurz,
wenn durch einen Entmagentisierungsimpuls eine Fehlsteuerung zwangsläufig
zu erwarten wäre. Durch diesen richtungsabhängigen
Windungskurzschluss werden alle anderen Wicklungen im entsprechenden
Wicklungssinn ebenfalls kurzgeschlossen, so dass eine Fehlübertragung
in falscher Richtung effektiv ausgeschlossen wird. Die Steuerung
dieser, die Entmagnetisierung bewirkenden Transistoren, kann gemeinsam oder
jeder für sich sowohl automatisch am Ende jedes vorausgegangenen Signals
SIG1 oder SIG2, aber auch Programm gesteuert, durch einen Mikrocontroller
erfolgen. Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht
potenzial getrenntes Ein- und Ausschalten einzelner MOSFETs insbesondere
auch die wechselseitige Ansteuerung durch Auf- und Entladen der
Gate Kapazitäten von MOSFETs in Brückenschaltungen,
oder in Push-Pull Verstärkern, bei Verwendung nur eines
Impulstransformators. Die Anzahl der MOSFETs, die man sekundär
parallel voneinander potenzial getrennt ansteuern möchte,
hängt von der Anzahl der sekundären Wicklungen
ab.
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Die
große Anzahl der Wicklungen der Schaltung lassen sich nur
mit hohem technischen Aufwand auf einem kleinen Wickelkörper
unterbringen, da hierfür entsprechend viele Anschlussstifte
und außerdem entsprechend große Isolationsabstände
und Isolationsfestigkeiten der Wicklungen untereinander vorgesehen
werden müssen.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß im Schutzanspruch
8 dadurch gelöst, dass anstelle eines klassischen Wickelkörpers
mit Kupferlackdraht, die Wicklungen durch eine Leiterplatte aus
mehreren Lagen ausgeführt werden und ein sogenannter Planartransformator
mit geringen Abmessungen zum Einsatz kommen kann. Die nötige
Isolationsfestigkeit wird durch das Material der Leiterplatte und
die einzuhaltenden Mindestabstände der Leiterbahnführung erreicht.
Ein teurer, aufwendiger Wickelkörper kann so entfallen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der 1 bis 5 und 7 bis 9 erläutert. 6 zeigt
den Stand der Technik. Es zeigen:
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1 zeigt,
wie der Impulstransformator mit den dazugehörigen Wicklungen
Impulse auf die sekundäre Seite überträgt.
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2 zeigt
eine zeitliche Verlaufsfolge von Signalen der Schaltung aus 1 bei
der die Kurzschlusswicklungen w5 und w6 unabhängig voneinander
aktiviert werden.
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3 zeigt
eine zeitliche Verlaufsfolge von Signalen bei der die Kurzschlusswicklungen
w5 und w6 beide gleichzeitig aktiviert werden.
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4 zeigt
eine Erweiterung der Schaltung von 1 für
in beide Richtungen automatisch und gleichzeitig erfolgende Ansteuerung
der Kurzschlusswicklungen w5 und w6 des Transformators am Ende jedes
Signals SIG1 oder SIG2.
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5 zeigt
eine Erweiterung der Schaltung von 4 als Anwendung
zum wechselseitigen Auf- und Entladen von Gatekapazitäten
zweier MOSFETs M1 und M2.
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6 zeigt
den Stand der Technik mit einem Impulstransformator Ü2
ohne gesteuerte Kurzschlusswicklung als Anwendung eines MOSFETs
als hoch effektiver Synchrongleichrichter für Schaltnetzteile.
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7 zeigt
eine Ausführung der erfindungsgemäßen
Schaltung, bei der die Kurzschlusswicklungen aus 1 w5
und w6 durch eine Kurzschlusswicklung w12 ersetzt worden ist.
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8 zeigt
eine Ausführung der erfindungsgemäßen
Schaltung, bei der die Wicklungen w1, w2, w5 und w6 durch eine einzige
primäre Steuerleitung w13 ersetzt worden sind.
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9 zeigt
eine Anwendungs-Kombination mit den primären Schaltkreisen
aus 8 und die Ansteuerung eines einzelnen sekundären
MOSFETs M1 aus 5.
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1 zeigt
die Grundschaltung und Wicklungsausführung des Impulstransformators Ü1.
Der Impulstransformator kann in zwei unterschiedliche Richtungen
angesteuert werden. Es liegen zwei Kanäle Kanal1 und Kanal2
vor. In beide Kanäle werden als Eingangssignale für
SIG1 und SIG2 jeweils Rechteck Impulse kurzer Dauer eingespeist.
Die Länge der Impulse ist so gewählt, dass eine
ausreichend lange Ansteuerung auf den sekundären Wicklungen
w3, w7, w8, w4 des Transformators gewährleistet ist, es
aber nicht zu einer magnetischen Sättigung des Transformators
kommt. Ein solcher Impuls in SIG1 steuert über R1 einen
Transistor T1 an, der an die Wicklung w1 einen Spannungsimpuls mit
dem Potenzial +VCC legt.
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Der
primäre Spannungsimpuls an w1 bewirkt einen positiven Spannungsimpuls
am Ausgang der Wicklung w3, am Anschluss SIG3 Kanal1 gegenüber dem
Anschluss GND A. Der primäre Spannungsimpuls an w1 bewirkt
auch gleichzeitig einen positiven Spannungsimpuls am Ausgang der
Wicklung w8, am Anschluss SIG8 Kanal1 gegenüber dem Anschluss GND
B.
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Entsprechendes
gilt für Kanal2: Ein Impuls in SIG2 steuert über
R2 einen Transistor T2 an, der an die Wicklung w2 einen Spannungsimpuls
mit dem Potenzial +VCC legt.
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Der
primäre Spannungsimpuls an w2 bewirkt einen positiven Spannungsimpuls
am Ausgang der Wicklung w4, am Anschluss SIG4 Kanal2 gegenüber dem
Anschluss GND B. Der primäre Spannungsimpuls an w2 bewirkt
auch gleichzeitig einen positiven Spannungsimpuls am Ausgang der
Wicklung w7, am Anschluss SIG7 Kanal2 gegenüber dem Anschluss GND
A.
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In
der Schaltung befinden sich zwei Wicklungen w5 und w6, die über
zwei Signale DELSIG1 und DELSIG2 über entsprechenden Stromfluss
durch R3 und R4 und einen Basisstrom durch T3 und T4 die Wicklungen
elektrisch kurz schließen können. Dabei kann innerhalb
einer der beiden Kurzschlusswicklungen der Strom nur jeweils in
eine Richtung fließen. Ist ein Ansteuerpotenzial für
DELSIG1 vorhanden und die Wicklung w5 kurzgeschlossen, so wird SIG1 Kanal1
unterdrückt. Der Wicklungskurzschluss wird auf alle anderen
Wicklungen der entsprechend korrespondierenden magnetischen Flussrichtungen
transformiert. Ist das Signal DELSIG2 aktiv, kann entsprechend der
Signalfluss von SIG2 auf die entsprechenden sekundären
Wicklungen für Kanal2 deaktiviert werden. DELSIG1 und DELSIG2
sind jedoch nicht nur für das Deaktivieren eines Signalflusses
von SIG1 und SIG2 vorhanden, sie können auch den Impulstransformator
entmagnetisieren und die im Magnetfeld des Impulstransformators
gespeicherte Energie abbauen, ohne dass es zu einer fehlerhaften,
sekundären Signalinterpretation auf dem jeweils anderen,
entgegen gerichteten Kanal kommt. Kommen Impulsfolgen nur über
Kanal1 SIG1 und man möchte überhaupt keine Signale
SIG2 über den Kanal2 übermitteln, so ist dies
nur dadurch möglich, dass der Entmagnetisierungsimpuls
des Impulstrafos über ein Ansteuern von DELSIG2 dies verhindert.
Das dazu nötige Ansteuern von DELSIG2 muss hierfür
unmittelbar nach einem Signalimpuls von SIG1 erfolgen. Der Vorgang
in die andere Richtung erfolgt entsprechend.
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In 2 wird
der zeitliche Signalablauf hierfür gezeigt. Der gestrichelte
Bereich m1 zeigt ein einzelnes über den Impulstransformator übertragenes Signal
SIG1 zu SIG3, auf deren Übertragungsende ein sofortiger
DELSIG2 Pegel erfolgt, um eine Fehlübertragung auf SIG4
zu unterdrücken. Entsprechend sieht in Gegenrichtung die
Ansteuerung für SIG2 und DELSIG1 aus. Im gestrichelten
Block m2 wird deutlich, dass die Kurzschlusswicklungen w5 und w6 nicht
aktiviert sein dürfen, falls eine hohe wechselseitige Impulsfolge
von SIG1 und SIG2 stattfindet. Das Ummagnetisieren erfolgt hier
wechselseitig gewollt. Ein ungewollter Entmagnetisierungsteuerimpuls kann
nicht auftreten, weil der Transformator nicht in Sättigung
kommen kann.
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3 zeigt
den gleichen Signalflussverlauf aus der 2. In 3 wird
jedoch gezeigt, dass zwecks einer Ansteuervereinfachung der Signalerzeugung
innerhalb eines digitalen Steuerkreises oder Ähnlichem
die Ansteuerung von DELSIG1 und DELSIG2 parallel erfolgen kann.
Wie man aus den 2 und 3 entnehmen
kann, ist die Ansteuerung der Signale DELSIG1 und DELSIG2 zeitlich
länger aktiv als die Rechteckimpulse von SIG1 und SIG2.
DELSIG1 und DELSIG2 müssen so lange angesteuert werden,
bis der Transformator vollständig entmagnetisiert ist.
Dieser Vorgang kann zeitlich länger notwendig sein. Es
ist möglich DELSIG1 und DELSIG2 dauernd aktiv zu schalten
und nur dann zu deaktivieren, wenn ein Signalfluss über
einen Kanal erfolgen soll. Dies kann technisch sinnvoll sein, falls es
gilt, Störimpulse in einer bestimmten Betriebsphase vollständig
auszuschließen. Um die Steuerleistungen in den Widerständen
R3 und R4 zu minimieren, ist diese Betriebsart jedoch nicht unbedingt
vorteilhaft und man sollte einen Kompromiss aus Effizienz und Betriebssicherheit
hierbei wählen.
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4 zeigt
eine Erweiterung der Schaltung von 1 für
in beide Richtungen automatisch und gleichzeitig erfolgende Entmagetisierungen
des Transformators am Ende jedes SIG1 oder SIG2 Signals. Die Schaltung
ist um den Widerstand R5, den Kondensator C1 und der Diode D1 ergänzt.
Der Widerstand R5 begrenzt die Stromaufnahme der jeweiligen Primärwicklungen
wl und w2. Der an jedem Signalende von SIG1 und SIG2 am Widerstand
R5 entstehende Spannungsanstieg verursacht an dem Kondensator C1
Verschiebeströme, die über die Widerstände
R2 und R3 die Transistoren T3 und T4 ansteuern und so die zugeordneten
Wicklungen w5 und w6 für sich richtungsgebunden, aber gleichzeitig kurzschließen.
Die Wiederaufladung des Kondensators C1 erfolgt über die
Diode D1.
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5 zeigt
eine Erweiterung der Schaltung von 4 als Anwendung
zur wechselseitigen Ansteuerung zweier MOSFETs M1 und M2. Die Signalübertragung
von SIG1 und SIG2 beinhaltet auch die gleichzeitig nötige
Steuerenergie zur Auf- und Entladung der Gatekapazitäten
der MOSFETs.
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Es
kann statt eines einzigen Signals auch eine Impulsfolge generiert
werden, falls ein einzelner Impuls zur Aufladung einer Kapazität
nicht ausreichen sollte oder eine Ladungserneuerung bei sehr langen
Periodenzeiten nötig sein sollte. Die Schaltung enthält
zusätzlich auf der Sekundärseite des Transformators Ü1
die Dioden DG1 und DG2 sowie die Transistoren T5 und T6 und die
Widerstände R6, R7, R8 und R9.
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Die
Dioden DG1 und DG2 haben die Aufgabe, die von den Wicklungen w3
oder w4 übertragenen Ladungsmengen immer so lange in den
Gate Kapazitäten der MOSFETs zu fangen, bis diese von einem
Signal der Wicklungen w7 oder w8 gesteuerten Transistoren T5 oder
T6 entladen werden. Die Widerstände R6, R7, R8 und R9 begrenzen
die Basisströme der Transistoren T5 und T6 und bestimmen
deren Verstärkungsfaktor.
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6 zeigt
den Stand der Technik, bei der durch eine primäre Wicklung
w9 einen gleichzurichtenden Strom durch die Diode eines MOSFETs
M3 einen Steuerpuls in der Wicklung w11 auslöst. Dieser Steuerpuls
wird über die Diode D2 in Richtung des Gates des MOSFETs
geführt und dieser durchgeschaltet. Die Diodenstrecke des
MOSFETs wird nun durch den niedrigen RDS ON Widerstandes des MOSFETs überbrückt.
Bricht das Magnetfeld des Impulstrafos Ü2 zusammen, so
entsteht ein Impuls in der Wicklung w10, der wiederum einen Transistor
T7 ansteuert und damit das Gate des MOSFETs M3 entlädt.
Die maximale Periodendauer über der das Gate des MOSFETS
leitend geschaltet werden kann, wird durch die Größe
und das Sättigungsverhalten des Impulstrafos selbst bestimmt.
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Für
eine Anwendung mit hohen Schaltfrequenzen innerhalb von Schaltnetzteilen
und einer sekundären Gleichrichtung innerhalb dieser, stellt
dieses Verfahren eine interessante Lösung dar. Dies hängt
damit zusammen, dass das Ansteuerungssignal durch w9 bei dieser
Art der Anwendung aus einer stetig steigenden Kurve besteht, die
dann abrupt abfällt. Für eine Gleichrichtung eines
sinusförmigen Signals mit niedriger Frequenz ist hingegen
diese Schaltung nicht effektiv einsetzbar.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht jetzt
das Ansteuern mit nur einem kleinen Impulstransformator für
sehr lange Periodendauern, da die Einflussnahme des Entmagnetisierungsimpulses
des Impulstransformators auf die Eigenschaften der sekundären
Schaltungsanwendung und auf die Signalübertragung aufgehoben
wird. Dadurch, dass der Entmagnetisierungsimpuls keinen Einfluss
mehr nehmen kann, können zwei Kanäle über
beide primär unterschiedlichen Ansteuerungsrichtungen voll
genutzt werden und unterliegen keiner Einschränkung, beispielsweise
hinsichtlich der Periodendauer der Ansteuerschaltungen von MOSFETs.
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7 zeigt
eine Schaltungsausführung mit 4 Transistoren auf der primären
Ansteuerungsseite, bei der die Kurzschlusswicklung w12 mit Hilfe
von zwei MOSFETs M4 und M5 in beide Richtungen aktiviert werden
kann. Der Einsatz von MOSFETs ermöglicht eine dauerhafte
Ansteuerung der Kurzschlusswicklung mit nur geringer Steuerleistung.
Wenn beide MOSFETs leiten, hat dies den Vorteil, dass die Kurzschlusswicklung
nur zweimal den RDS ON der MOSFETS als Widerstand in Serie mit geschaltet
bekommt, was der Entmagnetisierung und der falschen Signalunterdrückung
zugute kommt.
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8 zeigt
nun eine Ausführung, bei der jetzt nur noch eine primäre
Steuerleitung zum Einsatz kommt, bei der die gleichen Signalsteuerungsabläufe aus 1 immer
noch zum Einsatz kommen. Die extra Ansteuerung DELSIG1 und DELSIG2
entfällt jetzt und ist automatisch gegeben durch eine direkte
Beschaltung, wie im Prinzip schon in 4 eine beschrieben
wurde. Die Kurzschlusswicklung w12, wie sie in 7 funktionell
beschrieben wird, kommt zunächst dauerhaft zum Einsatz,
indem die MOSFETs M4 und M5 beide Wicklungsenden von w13 auf das gleiche
Potenzial legen, das Masse Potenzial. Soll jetzt ein Steuerimpuls
SIG1 auf den Kanal1 übermittelt werden, so muss M4 hierfür
deaktiviert werden, damit ein Stromimpuls vom Kollektor T9 über
die Wicklung w13 über M5 nach Masse fließen kann. Hierfür
wird T1 über den Basiswiderstand R1 leitend geschaltet,
der das Gate von M4 entlädt und gleichzeitig über
R11 die Basis von T9 leitend steuert. Am Ende des Steuerimpulses
von SIG1 wird über R3 das Gate von M4 erneut aufgeladen
und T9 abgeschaltet. Der Gegenimpuls in Folge der Entmagnetisierung kann
durch den leitend geschalteten MOSFET M5 in der Steuerwicklung w13
in umgekehrter Richtung sofort vernichtet werden. Bei der Impulsübertragung
auf Kanal2 SIG2 in Gegenrichtung erfolgen bei der symmetrischen
Schaltungsausführung die Schaltabläufe über
die übrigen Elemente voll analog: Zunächst muss
M5 deaktiviert werden und ein Stromimpuls vom Kollektor T8 kann über
die Wicklung w13 über M4 nach Masse fließen. Hierfür
wird T2 über den Basiswiderstand R2 leitend geschaltet,
der das Gate von M5 entlädt und gleichzeitig über
R10 die Basis von T8 leitend steuert. Am Ende des Steuerimpulses von
SIG2 wird über R4 das Gate von M4 erneut aufgeladen und
T8 abgeschaltet, der Gegenimpuls in Folge der Entmagnetisierung
kann durch den leitend geschalteten MOSFET M4 in der Steuerwicklung w13,
in umgekehrter Richtung sofort vernichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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