EP1784062A1 - Elektronisches Vorschaltgerät und entsprechendes Einstellverfahren - Google Patents

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EP1784062A1
EP1784062A1 EP06008967A EP06008967A EP1784062A1 EP 1784062 A1 EP1784062 A1 EP 1784062A1 EP 06008967 A EP06008967 A EP 06008967A EP 06008967 A EP06008967 A EP 06008967A EP 1784062 A1 EP1784062 A1 EP 1784062A1
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EP
European Patent Office
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duty cycle
inverter
fluorescent lamp
lamp
voltage divider
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06008967A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Klier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14Circuit arrangements
    • H05B41/26Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/282Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices
    • H05B41/285Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
    • H05B41/2858Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions
    • HELECTRICITY
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    • H05B41/26Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
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    • H05B41/288Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/292Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
    • H05B41/2928Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions

Definitions

  • the present invention relates to an electric ballast for operating and / or dimming a fluorescent lamp with an inverter and a parallel to the input of the inverter voltage divider, wherein between the tap of the voltage divider and the output of the inverter, the fluorescent lamp is switchable. Moreover, the present invention relates to a corresponding method for adjusting an electronic ballast for the supply of a fluorescent lamp with the AC of an inverter and the DC generated by means of a voltage divider.
  • a related circuit is in the patent US 5 034 660 shown.
  • the DC current needed to compensate for disc discharges is usually generated by a voltage divider and flows through the lamp and the lamp inductor into the half-bridge of the inverter.
  • a voltage divider Such a circuit is from the document EP 0 422 255 A1 known. It has been shown that larger diameter (T8) fluorescent lamps require significantly more DC power to eliminate disc discharges than smaller diameter lamps (T4, T5). On the other hand, it has also been found that too much DC affects the stability in the lower dimming range (by 1% of the nominal luminous flux), especially for the thin lamps. That's why in particular ECGs (electronic ballasts) with lamp detection can adjust the DC current to the diameter of the currently operated lamp.
  • DC voltage which is applied to the lamp during preheating of the lamp - that is, as long as the lamp does not burn. This DC voltage can cause the prescribed limits for the RMS value and the crest factor of the open circuit or open circuit voltage across the lamp during preheating to be exceeded.
  • the object of the present invention is therefore to propose an electronic ballast with which fluorescent lamps of different diameters can be better operated.
  • a corresponding method for setting an electronic ballast is to be provided.
  • this object is achieved by an electronic ballast for operating and / or dimming a fluorescent lamp with an inverter and a parallel to the input of the inverter voltage divider, wherein between the tap of the voltage divider and the output of the inverter, the fluorescent lamp is switchable, and wherein the duty cycle of the inverter is variable, so that a DC current through the fluorescent lamp with the duty cycle can be set to a desired value.
  • a method of adjusting an electronic ballast for supplying a fluorescent lamp with the AC of a half-bridge inverter and a DC current generated by means of a voltage divider by adjusting a duty ratio of the Inverter such that the direct current through the fluorescent lamp reaches a desired value is provided.
  • the direct current which is necessary for the operation of the fluorescent lamp can advantageously be varied almost as desired without great effort, without components having to be exchanged.
  • disk discharges in lamps of larger diameter and flicker phenomena in lamps of smaller diameter can be virtually completely prevented.
  • the inverter of the electronic ballast has a microcontroller with which the duty cycle is adjustable.
  • the duty cycle can be adjusted by software.
  • the duty cycle should be able to be varied within a range of 30% / 70% to 70% / 30%. Duty ratios outside this range make the dimensioning of the load circuit more difficult.
  • the voltage divider is dimensioned so that at a duty cycle of 50% / 50%, half of the DC current required for the fluorescent lamp to be used flows through the fluorescent lamp.
  • the duty cycle compared to the ratio 50% / 50% is not too much detuned.
  • a fluorescent lamp L is supplied with direct current via a voltage divider R1 / R2, which divides a DC link voltage Uzw in the corresponding ratio and provides this divided voltage at its tap. At the tap a pole of the fluorescent lamp L is connected.
  • a capacitor CK is also closed to ground.
  • the DC link voltage Uzw also serves as an input voltage for an inverter, which is realized here by a half-bridge consisting of a series connection of two transistors Q1 and Q2.
  • the transistors Q 1 and Q 2 are controlled by a microcontroller ⁇ C in a desired duty cycle.
  • a lamp inductor LD is connected at the node between the transistors Q1 and Q2 . On the other hand, this is connected to the second pole of the fluorescent lamp and a capacitor CZ, which is also grounded.
  • the DC current generated by the voltage divider R1 / R2 flows through the fluorescent lamp L and the lamp inductor LD in the half-bridge Q1 / Q2.
  • the divider ratio and the internal resistance of the voltage divider R1 / R2 determine the size of the direct current and its course over the dimming range.
  • the duty cycle of the half-bridge Q1 / Q2 is usually 50% / 50%, so that at the node between the transistors Q1 and Q2 in the time average half the DC link voltage Uzw / 2 is applied.
  • the DC current is also adjusted by changing the DC component of the half-bridge voltage at the node between the transistors Q1 and Q2 via the duty cycle of the half-bridge control.
  • This duty cycle can be easily adjusted via the software in the case of an ECG with lamp detection, in which a microcontroller ⁇ C controls the half-bridge Q1 / Q2.
  • the hardware of the circuit does not change.
  • the resistors R1 and R2 are dimensioned differently than in the case of a rigid duty cycle.
  • a circuit with a fixed duty cycle of 50% / 50% is chosen as the starting point.
  • R1 150 k ⁇
  • R2 820 k ⁇
  • Uzw 400 V
  • a maximum direct current of 789 ⁇ A and an empty voltage of 138 V result for the selected duty cycle.
  • the DC current is adjusted by the divider ratio and / or the duty cycle.
  • Example 1 shows the extreme case that the direct current is set solely via the duty cycle.
  • the selected lamp requires a maximum direct current of 789 ⁇ A and thus the mentioned duty cycle of 15.5% / 84.5%, which corresponds to a very strong detuning.
  • This strong detuning complicates the dimensioning of the load circuit LD, CZ and CK, since the load circuit must be completely recirculated each time a transistor Q1, Q2 is switched on in order to avoid switching losses and radio interference.
  • the following example 2 shows a more favorable dimensioning.
  • the resistors R1 and R2 are chosen so that at a duty cycle 50% / 50%, only half of the DC current required for the lamp flows through the lamp. The other half of the DC current is generated by a detuning of the duty cycle.
  • the duty cycle is reversed (67.3% / 32.7%)
  • the DC and the empty voltage disappear.
  • Intermediate values of the direct current can be set as desired via the pulse duty factor.
  • a dimmable electronic ballast with variable DC component of the lamp current can be realized without further ado.

Abstract

Es soll ein verbessertes elektronisches Vorschaltgerät für verschiedene Leuchtstofflampen zur Verfügung gestellt werden. Hierzu ist ein elektronisches Vorschaltgerät mit einem Wechselrichter und einem zum Eingang des Wechselrichters parallel geschalteten Spannungsverteiler (R1, R2) vorgesehen, wobei zwischen den Abgriff des Spannungsteiler (R1, R2) und den Ausgang des Wechselrichters die Leuchtstofflampe (L) geschaltet wird. Das Tastverhältnis des Wechselrichters sei derart veränderbar, dass sich ein Gleichstrom durch die Leuchtstofflampe (L) mit dem Tastverhältnis auf einen gewünschten Wert einstellen lässt. Damit ist das elektronische Vorschaltgerät ohne hohen Aufwand an eine gewünschte Lampe anpassbar.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Vorschaltgerät zum Betreiben und/oder Dimmen einer Leuchtstofflampe mit einem Wechselrichter und einem zum Eingang des Wechselrichters parallel geschalteten Spannungsteiler, wobei zwischen den Abgriff des Spannungsteilers und den Ausgang des Wechselrichters die Leuchtstofflampe schaltbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Einstellen eines elektronischen Vorschaltgeräts für die Speisung einer Leuchtstofflampe mit dem Wechselstrom eines Wechselrichters und dem Gleichstrom, der mit Hilfe eines Spannungsteilers erzeugt wird.
  • Stand der Technik
  • Gedimmte Leuchtstofflampen bilden unter bestimmten Umständen Scheibenentladungen aus. Sie äußern sich durch abwechselnd helle und dunkle Bereiche in der Lampe von wenigen Zentimetern Größe. Die Scheibenentladungen lassen sich durch einen kleinen Gleichstrom, der zusätzlich zum hochfrequenten Wechselstrom durch die Lampe geschickt wird, beseitigen. Eine diesbezügliche Schaltung ist in der Patentschrift US 5 034 660 dargestellt.
  • Der für die Kompensation von Scheibenentladungen benötigte Gleichstrom wird üblicherweise durch einen Spannungsteiler erzeugt und fließt durch die Lampe und die Lampendrossel in die Halbbrücke des Wechselrichters. Eine derartige Schaltung ist aus der Druckschrift EP 0 422 255 A1 bekannt. Es hat sich gezeigt, dass Leuchtstofflampen mit größerem Durchmesser (T8) deutlich mehr Gleichstrom zur Eliminierung der Scheibenentladungen brauchen, als Lampen mit kleinerem Durchmesser (T4, T5). Andererseits wurde auch festgestellt, dass gerade bei den dünnen Lampen zu viel Gleichstrom die Stabilität im unteren Dimmbereich (um 1 % des Nennlichtstroms) beeinträchtigt. Deshalb sollten insbesondere EVGs (elektronische Vorschaltgeräte) mit Lampenerkennung den Gleichstrom an den Durchmesser der gerade betriebenen Lampe anpassen können.
  • Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Gleichstromeinspeisung ist diejenige Gleichspannung, die während der Vorheizung der Lampe - also so lange die Lampe nicht brennt - an der Lampe anliegt. Diese Gleichspannung kann dazu führen, dass die vorgeschriebenen Grenzwerte für den Effektivwert und den Crestfaktor der Leer- bzw. Leerlaufspannung über der Lampe während der Vorheizung überschritten werden.
  • Dieser Problematik wurde bislang durch eine Kompromiss-Dimensionierung begegnet. Dadurch musste jedoch in Kauf genommen werden, dass Leuchtstofflampen mit größerem Durchmesser zu Scheibenentladungen neigen und Leuchtstofflampen mit geringerem Durchmesser bei Kälte unruhig sind. Darüber hinaus werden bei dieser Kompromiss-Dimensionierung die Grenzwerte für Effektivwert und Crestfaktor der Leerspannung bei manchen Lampen überschritten.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein elektronisches Vorschaltgerät vorzuschlagen, mit dem Leuchtstofflampen unterschiedlichen Durchmessers besser betrieben werden können. Darüber hinaus ist ein entsprechendes Verfahren zum Einstellen eines elektronischen Vorschaltgeräts bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betreiben und/oder Dimmen einer Leuchtstofflampe mit einem Wechselrichter und einem zum Eingang des Wechselrichters parallel geschalteten Spannungsteiler, wobei zwischen den Abgriff des Spannungsteilers und den Ausgang des Wechselrichters die Leuchtstofflampe schaltbar ist, und wobei das Tastverhältnis des Wechselrichters veränderbar ist, so dass sich ein Gleichstrom durch die Leuchtstofflampe mit dem Tastverhältnis auf einem gewünschten Wert einstellen lässt.
  • Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Einstellen eines elektronischen Vorschaltgeräts für die Speisung einer Leuchtstofflampe mit dem Wechselstrom eines als Halbbrücke ausgeführten Wechselrichters und mit einem Gleichstrom, der mit Hilfe eines Spannungsteilers erzeugt wird, durch Einstellen eines Tastverhältnisses des Wechselrichters derart, dass der Gleichstrom durch die Leuchtstofflampe einen gewünschten Wert erreicht.
  • In vorteilhafterweise kann hierdurch der Gleichstrom, der für den Betrieb der Leuchtstofflampe notwenig ist, ohne hohen Aufwand nahezu beliebig variiert werden, ohne dass Bauelemente ausgetauscht werden müssen. Insbesondere können dadurch Scheibenentladungen bei Lampen größeren Durchmessers und Flackererscheinungen bei Lampen geringeren Durchmessers praktisch vollständig unterbunden werden.
  • Vorzugsweise besitzt der Wechselrichter des elektronischen Vorschaltgeräts einen Microcontroller mit dem das Tastverhältnis einstellbar ist. Somit lässt sich das Tastverhältnis mittels Software einstellen.
  • Das Tastverhältnis sollte in einem Bereich von 30 % / 70 % bis 70 % / 30 % variiert werden können. Tastverhältnisse außerhalb dieses Bereichs erschweren die Dimensionierung des Lastkreises.
  • Entsprechend einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist der Spannungsteiler so dimensioniert, dass bei einem Tastverhältnis von 50 % / 50 % die Hälfte des für die zu verwendende Leuchtstofflampe erforderlichen Gleichstroms durch die Leuchtstofflampe fließt. Damit muss das Tastverhältnis gegenüber dem Verhältnis 50 % / 50 % nicht allzu sehr verstimmt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts wiedergibt.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
  • Entsprechend dem in der Figur dargestellten Schaltplan wird eine Leuchtstofflampe L über einen Spannungsteiler R1/R2, der eine Zwischenkreisgleichspannung Uzw im entsprechenden Verhältnis teilt und diese geteilte Spannung an seinem Abgriff zur Verfügung stellt, mit Gleichstrom versorgt. An den Abgriff ist ein Pol der Leuchtstofflampe L angeschlossen.
  • Parallel zu dem Widerstand R2 des Spannungsteilers ist außerdem ein Kondensator CK gegen Masse geschlossen.
  • Die Zwischenkreisgleichspannung Uzw dient außerdem als Eingangsspannung für einen Wechselrichter, der hier durch eine Halbbrücke bestehend aus einer Serienschaltung von zwei Transistoren Q1 und Q2 realisiert ist. Die Transistoren Q 1 und Q2 werden durch einen Microcontroller µC in einem gewünschten Tastverhältnis gesteuert.
  • An dem Knoten zwischen den Transistoren Q1 und Q2 ist eine Lampendrossel LD angeschlossen. Diese ist andererseits mit dem zweiten Pol der Leuchtstofflampe und einem Kondensator CZ verbunden, der ebenfalls an Masse liegt.
  • Der vom Spannungsteiler R1/R2 erzeugte Gleichstrom fließt durch die Leuchtstofflampe L und die Lampendrossel LD in die Halbbrücke Q1/Q2. Das Teilerverhältnis und der Innenwiderstand des Spannungsteiler R1/R2 bestimmen die Größe des Gleichstroms und dessen Verlauf über den Dimmbereich. Das Tastverhältnis der Halbbrücke Q1/Q2 beträgt üblicherweise 50 % / 50 %, so dass am Knoten zwischen den Transistoren Q1 und Q2 im zeitlichen Mittel die halbe Zwischenkreisgleichspannung Uzw/2 anliegt.
  • Erfindungsgemäß wird nun der Gleichstrom auch dadurch eingestellt, dass der Gleichanteil der Halbrückenspannung an dem Knoten zwischen den Transistoren Q1 und Q2 über das Tastverhältnis der Halbbrückensteuerung verändert wird. Dieses Tastverhältnis kann bei einem EVG mit Lampenerkennung, bei dem ein Microcontroller µC die Halbbrücke Q1/Q2 steuert, leicht über die Software eingestellt werden. Die Hardware der Schaltung ändert sich dabei nicht. Günstigerweise werden jedoch die Widerstände R1 und R2 anders dimensioniert als im Falle eines starren Tastverhältnisses.
  • Im folgenden werden zwei Dimensionierungsbeispiele angegeben. Dabei wird eine Schaltung mit starrem Tastverhältnis 50 % / 50 % als Ausgangspunkt gewählt. Bei einer Dimensionierung R1 = 150 kΩ, R2 = 820 kΩ und Uzw = 400 V ergibt sich für das gewählte Tastverhältnis ein maximaler Gleichstrom von 789µA und eine Leerspannung von 138 V.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird der Gleichstrom durch das Teilerverhältnis und/oder das Tastverhältnis eingestellt. Das nachfolgende Beispiel 1 zeigt den Extremfall, dass der Gleichstrom allein über das Tastverhältnis eingestellt wird. Der maximale Gleichstrom soll wiederum 789 µA und die Leerspannung maximal 138 V betragen. Da der Gleichstrom allein über das Tastverhältnis eingestellt wird, sind die Widerstände R1 und R2 gleich groß zu wählen, nämlich R1 = R2 = 258 kΩ. Um den genannten Gleichstrom zu erreichen, ist nun ein Tastverhältnis von 15, 5 % / 84,5 % erforderlich. Da die Widerstände R1 und R2 gleich groß sind, sinken der Gleichstrom und die Leerspannung bei einem Tastverhältnis 50 % / 50 % auf 0 ab. Die gewählte Lampe erfordert jedoch einen maximalen Gleichstrom von 789 µA und somit das genannte Tastverhältnis von 15,5 % / 84,5 %, was einer sehr starken Verstimmung entspricht. Diese starke Verstimmung erschwert die Dimensionierung des Lastkreises LD, CZ und CK, da der Lastkreis bei jedem Einschalten eines Transistors Q1, Q2 komplett umgeschwungen sein muss, um Schaltverluste und Funkstörungen zu vermeiden.
  • Das nochfolgende Beispiel 2 zeigt eine günstigere Dimensionierung. Hier sind die Widerstände R1 und R2 so gewählt, dass bei einem Tastverhältnis 50 % / 50 % nur die Hälfte des für die Lampe erforderlichen Gleichstroms durch die Lampe fließt. Die andere Hälfte des Gleichstroms wird durch ein Verstimmen des Tastverhältnisses erzeugt. In diesem Fall wird der Gleichstrom von 789 µA durch die Widerstände R1 = 192 kΩ und R2 = 393 kΩ bei einem Tastverhältnis von 32,7 % / 67,3 % erreicht. Dies bedeutet, dass eine wesentlich schwächere Verstimmung vorliegt, so dass der Lastkreis leichter dimensioniert werden kann. Bei der Umkehrung des Tastverhältnisses (67,3 % / 32,7 %) verschwinden dann der Gleichstrom und die Leerspannung. Zwischenwerte des Gleichstroms sind über das Tastverhältnis beliebig einstellbar. Somit lässt sich ohne weiteres ein dimmbares EVG mit variablem Gleichanteil des Lampenstroms realisieren.

Claims (7)

  1. Elektrisches Vorschaltgerät zum Betreiben einer Leuchtstofflampe mit
    - einem als Halbbrücke ausgeführten Wechselrichter (Q1, Q2) und
    - einem zum Eingang des Wechselrichters parallel geschalteten Spannungsteiler (R1, R2), wobei zwischen den Abgriff des Spannungsteilers (R1, R2) und den Ausgang des Wechselrichters (Q1, Q2) die Leuchtstofflampe (L) schaltbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Tastverhältnis des Wechselrichters (Q1, Q2) veränderbar ist, so dass sich ein Gleichstrom durch die Leuchtstofflampe (L) mit dem Tastverhältnis auf einen gewünschten Wert einstellen lässt.
  2. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (Q1, Q2) einen Microcontroller (µC) aufweist, mit dem das Tastverhältnis einstellbar ist.
  3. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Tastverhältnis in einem Bereich von 30 % / 70 % bis 70 % / 30 % variierbar ist.
  4. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsteiler so dimensioniert ist, dass bei einem Tastverhältnis von 50 % / 50 % die Hälfte des für die zu verwendende Leuchtstofflampe (L) erforderlichen Gleichstroms durch die Leuchtstofflampe fließt.
  5. Verfahren zum Einstellen eines elektronischen Vorschaltgeräts für die Speisung einer Leuchtstofflampe (L) mit dem Wechselstrom eines als Halbbrücke ausgeführten Wechselrichters (Q1, Q2) und mit einem Gleichstrom, der mit Hilfe eines Spannungsteilers (R1, R2) erzeugt wird,
    gekennzeichnet durch
    - Einstellen eines Tastverhältnisses des Wechselrichters (Q1, Q2) derart, dass der Gleichstrom durch die Leuchtstofflampe (L) einen gewünschten Wert erreicht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Tastverhältnis in einem Bereich von 30 % /70 % bis 70 % / 30 % variierbar ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei bei einem Tastverhältnis von 50 % / 50 % die Hälfte des Gesamtgleichstrom durch die Leuchtstofflampe vom Wechselrichter erzeugt wird und der Spannungsteiler entsprechend dimensioniert wird.
EP06008967A 2005-05-10 2006-04-28 Elektronisches Vorschaltgerät und entsprechendes Einstellverfahren Withdrawn EP1784062A1 (de)

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