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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft eine Eingangs schaltung für Optokoppler, welche
es ermöglicht, einen oder mehrere Optokoppler so auszulegen, daß dieser bzw. diese
auf optimale Signalübertragungsgeschwindigkeit optimiert ist bzw. sind, ohne daß
diese Optimierung durch Störunterdrückungsbedingungen, insbesondere hinsichtlich
der oberen Grenzfrequenz der Signalübertragung, eingeengt ist.
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Nach dem Stande der Technik werden zur Signalentstörung bei Optokopplern
derzeit primär- oder sekundärseitig angeordnete Widerstands-Kapazitäts-Filter verwendet.
Diese Art der Signalentstörung hat jedoch insbesondere den Nachteil, daß die Widerstands-Kapazitäts-Filter
je nach dem Anwendungsfall des Optokopplers unterschiedlich dimensioniert werden
müssen. Das hat wiederum zur Folge, daß bei unterschiedlichen Anwendungen der Optokoppler
unterschiedlich entstörte Optokoppler notwendig sind, also nicht dieselbe Hardware
benützt werden kann, was die Produktion und die Lagerung eines verhältnismäßig großen
Sortiments an unterschiedlich entstörten Optokopplerplatinen bedingt.
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Als Beispiel sei angegeben, daß der Betrieb der mit Optokopplern versehenen
Eingänge an einer relativ sauberen, d.h. mit nur geringen Störungen behafteten 24-Volt-Spannungsversorgung
beispielsweise für Zählaufgaben oder schnelle Signale, die im Bereich von 50 bis
200 ns erkannt werden müssen, wenig Aufwand an Entstörung der Optokoppler erfordert.
Dagegen ist ein hoher Entstörungsaufwand bei Optokopplern erforderlich, die an einem
stark verseuchten, d.h. mit erheblichen Störungen behafteten 24-Volt-Netz betrieben
werden, wo die Erkennungszeiten für Signale im Bereich von Millisekunden bis Sekunden
liegen.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Eingangs schaltung für Optokoppler
zur Verfügung gestellt werden, die unabhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall
Störsignale austastet und insbesondere bei gleichzeitiger Anwendung einer Vielzahl
von Optokopplern bauteilsparend und kostengünstig, vor allem beim Zusammenbau, ist.
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Das wird mit einer Eingangs schaltung für Optokoppler erreicht, die
sich erfindungsgemäß auszeichnet durch einen Unterspannungs-Stördetektor und einen
Uberspannungs-Stördetektor, deren Eingänge an die Betriebsspannung des Optokopplers
angeschlossen und deren Ausgänge mit dem Steuereingang eines Daten- bzw. Signalpuffers
verbunden sind, welcher dem Ausgang des Optokopplers nachgeschaltet ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, durch die Ausgangssignale des Unterspannungs-Stördetektors
und des Uberspannungs-Stördetektors eine Weitergabe der am Ausgang des Optokopplers
oder der Optokoppler erhaltenen Daten bzw. Signale dann zu verhindern, wenn durch
Störungen der Betriebsspannung des Optokopplers oder der Optokoppler bewirkte Unterspannungen
und/oder Uberspannungen ein Niveau unter- bzw.
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überschreiten, bei dem die von dem Optokoppler oder den Optokopplern
übertragenen Daten bzw. Signale aufgrund der Betriebsspannungsbedingungen unzuverlässig
sind. Der Unterspannungs-Stördetektor und der Überspannungs-Stördetektor können
gemeinsam für eine Vielzahl von Optokopplern verwendet werden, die ihrerseits praktisch
überhaupt nicht entstört zu werden brauchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eingangsschaltung
für Optokoppler zeichnet sich dadurch aus, daß der Unterspannungs-Stördetektor und/oder
der Uberspannungs-Stördetektor einen Optokoppler aufweist oder im wesentlichen ein
Optokoppler ist. Hierdurch kann in einer Weise, die dem Optokoppler oder den Optokopplern,der
bzw.
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die Signale bzw. Daten überträgt bzw. übertragen, besonders gut angepaßt
ist, das Vorliegen einer die Daten bzw. Signale unzuverlässig machenden zu niedrigen
oder zu hohen augenblicklichen Betriebsspannung ermittelt werden.
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Im einzelnen kann die Eingangs schaltung so ausgebildet sein, daß
dem Ausgang des Optokopplers des Unterspannungs-Stördetektors ein Inverter nachgeschaltet
ist, sowie so, daß dem Ausgang des Optokopplers des Uberspannungs-Stördetektors
zwei Inverter in Reihe nachgeschaltet sind. Diese Inverter bewirken gleichzeitig
eine Signalkonditionierung und geben dem Ausgangssignal des Unterspannungs-Stördetektors
sowie des Uberspannungs-Stördetektors die für eine Signalverknüpfung besonders geeignete
Form.
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Bevorzugt ist zwischen die Ausgänge des Unter- und über spannungs-Stördetektors
und den Steuereingang des Daten-bzw. Signalpuffers eine Signalverknüpfungsschaltung
geschaltet. An die Signalverknüpfungsschaltung kann ein Freigabesignalgeber angeschlossen
sein.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Eingangs schaltung so ausgebildet
sein, daß der Daten- bzw. Signalpuffer ein Daten- bzw. Signalauffangspeicher und
der Steuereingang der Daten- bzw. Signalübernahmeeingang dieses Daten- bzw. Signalauffangspeichers
ist, wobei an die Signalverknüpfungsschaltung ein Aktualisierungstaktgeber angeschlossen
sein kann.
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Insbesondere ist es möglich, daß die Signalverknüpfungsschaltung ein
UND-Tor ist, das mit einem ersten Eingang an den Ausgang des Unterspannungs-Stördetektors
und mit einem zweiten Eingang an den Ausgang des Oberspannungs-Stördetektors angeschlossen
ist, wobei ein weiterer Eingang des UND-Tors an den Freigabesignalgeber und ein
anderer Eingang des UND-Tors an den Aktualisierungstaktgeber, insbesondere
den
Taktgeber eines den Daten- bzw. Signalauffangspeicher auslesenden Prozessors bzw.
Mikroprozessors, angeschlossen sein kann.
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Die Eingangsschaltung für Optokoppler nach der Erfindung ist insbesondere
bei Steuereinrichtungen für computerisierte Steuerung von Werkzeugmaschinen, Prozeßanlagen,
Industrierobotern oder dergleichen, welche eine Vielzahl von digitalen Eingängen
aufweisen, verwendbar.
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Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und
2 der Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform näher erläutert;
es zeigen: Figur 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Eingangsschaltung
für Optokoppler gemäß der Erfindung; und Figur 2 eine Kurvendarstellung einer Optokopplerbetriebsspannung,
die mit erheblichen Störungen behaftet ist.
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Die in Figur 1 gezeigte Eingangs schaltung für Optokoppler ist insbesondere
in Steuereinrichtungen für die computerisierte Steuerung, wie beispielsweise für
die computerisierte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen, Prozeßanlagen, Industrierobotern
oder dergleichen verwendbar, und zwar in deren Eingangsschaltungen, die über Eingänge
mit Digitalgebern, beispielsweise Endschaltern, verbunden sind, wobei derartige
Digitalgeber an den verschiedensten Baueinheiten der Werkzeugmaschinen, Prozeßanlagen,
Industrieroboter o.dgl. vorgesehen sein können.
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Die Eingangsschaltung für Optokoppler, wie sie in Figur 1 dargestellt
ist, umfaßt zunächst einen ersten Optokoppler 1, der gemäß der vereinfachten Zeichnung
zwar ein einziger Optokoppler sein kann, im allgemeinen jedoch nur einen Optokoppler
aus einer Vielzahl von n Optkopplern 1 repräsen-
tiert, wobei n
eine ganze positive Zahl ist. Jeder dieser n Optokoppler 1 bildet eine übliche Signaleingangsstufe.
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Weiter umfaßt die Eingangs schaltung für Optokoppler nach Figur 1
einen Unterspannungs-Stördetektor 2 und einen Uberspannungs-Stördetektor 3, die
auch für eine Vielzahl von n Optokopplern 1 nur je einmal benötigt werden.
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Der Optokoppler 1 umfaßt in üblicher Weise ein Lichtemissionselement
4, beispielsweise eine lichtemittierende Diode, in optischer Kopplung mit einem
Lichtempfangselement 5, beispielsweise einem Phototransistor; die optische Kopplung
ist in Figur 1 jeweils durch einen Blitzpfeil angedeutet. Das Lichtemissionselement
5 ist beispielsweise über einen Endschalter 6, der sich in der zu steuernden Werkzeugmaschine
befindet, mit einer entsprechenden Betriebsspannung UB von zum Beispiel 24 Volt
verbunden, so daß je nachdem, ob der Endschalter 6 geschlossen oder geöffnet ist,
von dem Lichtemissionselement 4 Licht ausgesandt wird oder nicht und damit über
das Lichtempfangselement 5 am Ausgang 7 des Optokopplers 1 ein entsprechendes Signal
erhalten wird.
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Der Unterspannungs-Stördetektor 2 umfaßt ebenfalls einen Optokoppler,
welcher ein Lichtemissionselement 8, beispielsweise eine lichtemittierende Diode,
und ein optisch daran angekoppeltes Lichtempfangselement 9, beispielsweise einen
Phototransistor, aufweist. Der Signalausgang 10 dieses Optokopplers ist über einen
Inverter 11 an den Ausgang 12 des Unterspannungs-Stördetektors 2 geführt.
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Schließlich umfaßt der Uberspannungs-Stördetektor 3 auch einen Optokoppler,
der ein Lichtemissionselement 12, beispielsweise eine lichtemittierende Diode, und
ein optisch daran angekoppeltes Lichtempfangselement 13, zum Beispiel einen Phototransistor,
aufweist. Der Signalausgang 14 die-
ses Optokopplers ist über zwei
in Reihe geschaltete Inverter 15 und 16 an den Ausgang 17 des Oberspannungs-Stördetektors
3 geführt.
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Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß in üblicher
Weise in Reihe mit den Lichtemissionselementen 4, 8 und 12 sowie in Reihe mit den
Lichtempfangselementen 5, 9 und 13 je ein Widerstand 18 bis 23 geschaltet ist. Die
Lichtemissionselemente 4, 8 und 12 sind über ihre Widerstände 18, 20 und 22 an die
Betriebsspannung UB, beispielsweise 24 Volt, angeschlossen, die auf den Leitungen
liegt, welche die digitalen Eingangssignale von den Digitalgebern der gesteuerten
Einrichtung zuführen. Die Lichtempfangselemente 5, 9 und 13 sind in entsprechender
Weise über ihre Widerstände 19, 21 und 23 an die Versorgungsspannung UV der Steuereinrichtung
angeschlossen, welche die digitalen Eingangssignale des Optokopplers 1 verarbeitet
und Steuersignale erzeugt, die mittels nicht dargestellter Ausgangsschaltungen über
Ausgänge auf Stellglieder der gesteuerten Werkzeugmaschine, Prozeßanlage o.dgl.
gegeben werden, wie beispielsweise an Magnetventile, Magnetbremsen, Hydraulikventile,
Pumpen o.dgl.
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Der Ausgang 7 von jedem der n Optokoppler 1 ist mit dem Signaleingang
24 von je einem, jedem der n Optokoppler 1 zugeordneten Signalauffangspeicher 25
verbunden. Der Signalausgang 26 von jedem der n Signalauffangspeicher 25 ist mit
einer Signalverarbeitungseinrichtung, wie beispielsweise einem Prozessor, verbunden,
und zwar vorzugsweise über einen nicht gezeigten Datenbus.
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Außerdem besitzt der Signalauffangspeicher 25 einen Signalübernahmeeingang
27, über den die Ubernahme eines am Signaleingang 24 vorhandenen Signals des Optokopplers
1 in den Signalauffangspeicher 25 gesteuert wird. Der Signalübernahmeeingang 27
des Signalauffangspeichers 25 ist mit
dem Ausgang eines UND-Tors
28 verbunden, das die folgenden, über je einen seiner vier Eingänge zugeführten
Signale miteinander verknüpft: (1) das Ausgangssignal des Unterspannungs-Stördetektors
2; (2) das Ausgangssignal des Uberspannungs-Stördetektors 3; (3) ein Freigabesignal,
das über. die Leitung 29 von dem Prozessor, welcher die Daten, die im Signalauffangspeicher
25 aufgrund der diesem zugeführten Eingangssignale gespeichert worden sind, aus
dem Signalauffangspeicher 25 ausliest; dieses Freigabesignal besagt, daß gerade
keine Daten aus dem Daten- bzw. Signalauffangspeicher 25 ausgelesen werden; und
(4) ein Aktualisierungstaktsignal, das über die Leitung 30 von einem üblichen Taktgeber,
zum Beispiel vom Taktgeber eines Prozessors bzw. Mikroprozessors, welcher den Daten-
bzw. Signalauffangspeicher 25 ausliest, zugeführt wird; dieses Aktualisierungstaktsignal
ist das eigentliche Steuersignal, welches bewirken soll, daß das am Signaleingang
24 anliegende Signal als entsprechender Datenwert in den Daten- bzw. Signalauffangspeicher
25 übernommen wird, so daß dadurch der Datenwert in letzterem jeweils aktualisiert
wird.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß eine nach dem Stande
der Technik übliche Eingangsschaltung für Optokoppler im wesentlichen nur aus dem
Optokoppler 1, dem nachgeschalteten Daten- bzw. Signalauffangspeicher 25 und der
direkt sowie allein an den Daten- bzw. Signalübernahmeeingang 27 angeschlossenen
Leitung 30 besteht, wobei der Optokoppler 1 dann in konventioneller Weise, wie weiter
oben näher beschrieben wurde, entstört ist.
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Im Gegensatz hierzu umfaßt die Eingangsschaltung nach Figur 1 zusätzlich
den Unterspannungs-Stördetektor 2 und den Uberspannungs-Stördetektor 3 sowie eine
Signalverknüpfungsschaltung, welche in der vorliegenden Ausführungsform von dem
UND-Tor 28 gebildet wird, hierbei sind der Optokoppler 1 und die Optokoppler des
Unterspannungs-Stördetektors 2 sowie des Uberspannungs-Stördetektors 3 in der folgenden
Weise ausgelegt: (a) Jeder der n Optokoppler 1 kann so dimensioniert werden, daß
er von sich aus energiearme Störungen ignoriert, zum Beispiel Störungen, die kürzer
als 1 ßs sind. Jeder dieser n Optokoppler 1 kann aber auch auf optimale Signalübertragungsgeschwindigkeit
optimiert werden. In jedem Falle ist man im Optimierungskriterium für die Auslegung
der einzelnen Optokoppler 1 praktisch frei und nicht durch Störunterdrückungsbedingungen
in der oberen Grenzfrequenz oder in sonstiger Weise eingeengt.
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(b) Der Optokoppler des Unterspannungs-Stördetektors 2 ist so dimensioniert,
daß am Ausgang 12 des Inverters 11 immer dann ein "low"-Signal, also ein Signal
niedrigen Spannungsniveaus, abgegeben wird, wenn die Betriebsspannung UB (siehe
Figur 2) unter eine untere Toleranzgrenze G absinkt. Diese untere Toleranzgrenze
G ist u u so festgelegt, daß bei ihrem Unterschreiten die Daten bzw. Signale an
den Ausgängen 7 der Optokoppler 1 nicht mehr zuverlässig sind.
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(c) Der Optokoppler des Uberspannungs-Stördetektors 3 ist so dimensioniert,
daß das Signal an dem Ausgang 14 dieses Optokopplers ein "low"-Signal, also ein
Signal niedrigen Spannungsniveaus, wird, wenn die Betriebsspannung UB eine obere
Toleranzgrenze G0 überschreitet (siehe Figur 2). Diese obere Toleranzgrenze G0 ist
so festgelegt, daß bei ihrem überschreiten die Daten bzw.
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Signale an den Ausgängen 7 der Optokoppler 1 unzuverlässig sind.
Die beiden hintereinander geschalteten Inverter 15 und 16 dienen nur zur Signalkonditionierung
und können daher gegebenenfalls auch weggelassen oder durch eine andere Signalkonditionierungsschaltung
ersetzt sein.
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Es sei ergänzend zu den obigen Ausführungen zu der Figur 2 noch gesagt,
daß hier irgendein zeitlicher Verlauf der mit Störungen behafteten Betriebsspannung
UB dargestellt ist, die, wenn sie störungsfrei wäre, eine Gleichspannung der konstanten
Größe U5 wäre, welche beispielsweise die Größe von 24 Volt haben kann; die untere
Toleranzgrenze Gu kann zum Beispiel den Wert von 13 Volt haben, und die obere Toleranzgrenze
Go kann beispielsweise bei 50 Volt liegen; diese vorstehend angegebenen Spannungswerte
hängen jedoch von verschiedensten Bedingungen ab und sind nur Beispielswerte, welche
dem besseren Verständnis dienen sollen.
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Durch die Signalverknüpfungsschaltung, wie in der vorliegenden Ausführungsform
durch das UND-Tor 28, wird verhindert, daß Daten bzw. Signale, die an den Ausgängen
7 der n Optokoppler 1 vorhanden sind, in den jeweils zugeordneten Daten- bzw. Signalauffangspeicher
25 übernommen werden, wenn diese Daten unzuverlässig sind, weil die Betriebsspannung
UB unterhalb der unteren Toleranzgrenze Gu oder oberhalb der oberen Toleranzgrenze
G0 liegt. Außerdem wird über die Leitung 29 verhindert, daß der Speicherinhalt des
Daten- bzw. Signalauffangspeichers 25 aktualisiert wird, während dieser Daten- bzw.
Signalauffangspeicher 25 von dem zugeordneten Prozessor bzw. Mikroprozessor oder
einer sonstigen Ausleseeinrichtung ausgelesen wird. Denn ein "high"-Signal auf der
Leitung 30, also ein hohes Spannungsniveau aufweisendes Aktualisierungstaktsignal,
mit dem eine Aktualisierung des Speicherinhalts des Daten- bzw. Signalauffangspeichers
25 veranlaßt werden soll, hat nur
dann ein entsprechendes "high"-Signal
am Daten- bzw. Signalübernahmeeingang 27 zur Folge, wenn weder vom Unterspannungs-Stördetektor
2 noch vom Uberspannungs-Stördetektor 3 ein "low"-Signal abgegeben wird und wenn
außerdem auf der Leitung 29 ein "high"-Signal vorhanden ist, also ein Signal hohen
Spannungsniveaus, welches anzeigt, daß der Daten- bzw. Signalauffangspeicher 25
gerade nicht ausgelesen wird.
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Besonders vorteilhaft ist die hier vorgeschlagene Eingangsschaltung
für Optokoppler vor allem in denjenigen Fällen, in denen viele Optokoppler 1 vorhanden
sind, welche alle mit der gleichen störbehafteten Betriebsspannung U3 betrieben
werden, da der hierfür benötigte einzige Unterspannungs-Stördetektor 2 und der hierfür
benötigte einzige Uberspannungs-Stördetektor 3 einen wesentlich geringeren schaltungsmäßigen
Aufwand darstellen, als es der schaltungsmäßige Aufwand ist, der nach dem Stande
der Technik erforderlich ist und darin besteht, daß jeder einzelne der vielen Optokoppler
durch primär- oder sekundärseitig angeordnete Widerstands-Kapazitäts-Filter entstört
wird. Dieser Aufwand zur Entstörung der einzelnen Optokoppler, wie er nach dem Stande
der Technik erforderlich ist, kann beispielsweise bei Steuereinrichtungen für die
computerisierte Steuerung von Werkzeugmaschinen, Prozeßanlagen, Industrierobotern
oder dergleichen, in welchen normalerweise sechzig oder mehr digitale Eingänge,
die je mit einem Optokoppler versehen sind, benötigt werden, ganz erheblich sein,
so daß durch die Erfindung eine wesentliche schaltungsmäßige Vereinfachung erzielt
wird, wodurch sich bei der Herstellung der Eingangs schaltungen mit Optokopplern
wesentlich geringere Fehlermöglichkeiten und beim Betrieb solcher Eingangsschaltungen
eine erheblich größere Betriebszuverlässigkeit,abgesehen von den Kosteneinsparungen,
die durch die Verwendung von weniger Bauteilen bedingt sind, ergeben.
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Die in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen angegebenen
Inverter sind Inverter mit Schmitt-Trigger-Eigenschaften.
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Obwohl die Signalverknüpfungsschaltung in der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform zum besseren Verständnis als einfaches UND-Tor angegeben ist, können
selbstverständlich auch andere Logikschaltungen als Signalverknüpfungsschalter vorgesehen
sein; z.B. kann die Signalverknüpfungsschaltung bei geeigneter Beschaltung auch
ein NAND-Tor sein.
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Ende der Beschreibung
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