FR3115173A1 - Dispositif d’alimentation d’au moins un peripherique - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif d’alimentation (10a) d’au moins un périphérique (12a) comportant :– une entrée réseau (E1) destinée à recevoir un câble réseau (C1) alimenté en énergie électrique ;– une sortie (S1) destinée à alimenter le périphérique (12a) au moyen de l’énergie électrique transmise par le câble réseau (C1) connecté sur l’entrée réseau (E1) ;– un convertisseur de tension d’entrée (11) recevant l’énergie électrique transmise par le câble réseau (C1) connecté sur l’entrée réseau (E1) pour fournir une tension interne (Ti) ;– un élément de stockage d’énergie (13) connecté sur la tension interne (Ti) ;– un convertisseur de tension de sortie (12) connecté entre la tension interne (Ti) et la sortie (S1) ; et– un organe de supervision (14) commandant l’activation du convertisseur de tension de sortie (12), sur une durée limitée, lorsqu’un besoin d’énergie est détecté sur la sortie (S1). Figure pour l’abrégé : Fig.3

Description

DISPOSITIF D’ALIMENTATION D’AU MOINS UN PERIPHERIQUE
La présente invention concerne le domaine de l’alimentation de périphériques au moyen d’une énergie électrique transmise sur un câble réseau. La transmission de l’énergie électrique sur un câble réseau est connue de la technologie « POE » (selon l’expression anglo-saxonne «Power Over Ethernet»).
L’invention concerne plus particulièrement l’alimentation d’au moins un périphérique de « faible disponibilité », c’est-à-dire un périphérique pouvant être alimenté électriquement de manière discontinue, contrairement aux périphériques qui doivent être alimentés en permanence pour assurer leur fonctionnement.
Au sens de l’invention, un périphérique de faible disponibilité peut correspondre à un système embarqué, un dispositif électromécanique tel qu’une barrière ou un volet roulant, un contacteur de porte, une climatisation ou à tout autre système qui peut être alimenté périodiquement.
Ainsi, l’invention peut être utilisée dans un grand nombre de secteurs d’activité pour gérer des équipements divers.
Art antérieur
En utilisant la technologie POE, il est connu d'alimenter un périphérique au moyen d’un câble réseau, par exemple un câble Ethernet de type « RJ45 ». Pour ce faire, le câble réseau est connecté entre le périphérique et un routeur utilisant des fils du câble réseau pour transmettre des données et des fils du câble réseau pour transmettre l’énergie électrique.
La puissance électrique transmise au périphérique dépend de la norme POE utilisée et de la composition du câble réseau. En effet, il existe quatre normes POE, également appelées types 1, 2, 3 et 4.
Le type 1 est défini par la norme IEEE 802.3af et permet d’alimenter un périphérique d’une puissance maximum de 12.95 Watts et une tension comprise entre 33 et 57 Volts au moyen de deux paires de fils d’un câble réseau de catégorie 3.
Le type 2 est défini par la norme IEEE 802.3at et permet d’alimenter un périphérique avec 25.5 Watts et une tension comprise entre 42.5 et 57 Volts au moyen de deux paires de fils d’un câble réseau de catégorie 5.
Le type 3 est défini par la norme IEEE 802.3bt et permet d’alimenter un périphérique avec 51 Watts et une tension comprise entre 42.5 et 57 Volts au moyen de deux ou quatre paires de fils d’un câble réseau de catégorie 5.
Le type 4 est également défini par la norme IEEE 802.3bt et permet classiquement d’alimenter un périphérique avec 71 Watts et une tension comprise entre 41.1 et 57 Volts au moyen de quatre paires de fils d’un câble réseau de catégorie 5.
La technologie POE est avantageuse en ce qu’elle permet d’utiliser un seul câble réseau pour transmettre à la fois les données et l’énergie électrique. En revanche, un inconvénient majeur de cette technologie provient du fait que les câbles réseaux ne sont pas nativement conçus pour transmettre l’énergie électrique. Ainsi, les pertes de puissance électrique sont importantes dans le câble réseau. Par exemple, pour obtenir 71 watts au niveau du périphérique avec la technologie POE de type 4, il est souvent nécessaire de fournir au moins 100 watts de puissance au niveau du routeur.
Pour transmettre la puissance électrique sur de grandes distances, par exemple sur des distances supérieures à 100 mètres, il est connu d'utiliser un extenseur, tel qu’illustré sur les figures 1 et 2 de l’état de la technique.
Dans l’exemple de la figure 1, l’extenseur100reçoit, sur une entrée réseauE11, un câble réseauC11alimenté en POE de type 2, 3 ou 4. Un séparateur15extrait les donnéesDiet l’énergie électrique pour transmettre la puissance électriqueP1à un convertisseur continu/continu160. Le convertisseur continu/continu160permet de générer une puissanceP2, inférieure à la puissanceP 1et correspondant à un autre standard que celui utilisé par le câble réseauC11. Un agrégateur16regroupe ensuite les donnéesD iet l’énergie électrique de puissanceP2jusqu’à une sortie réseauS11sur laquelle un autre câble réseauC12est connecté.
Ainsi, le câble réseauC12est alimenté en POE de type 1, 2 ou 3, c’est-à-dire avec une norme inférieure au type de POE utilisé sur le câble réseauC11. Le périphérique120peut donc être alimenté par une entréeE12au moyen du câble réseauC12connecté sur l’extenseur100. En diminuant ainsi la puissance électrique disponible, il est possible d'atteindre des distances de transmission supérieures à 100 mètres, typiquement 200 ou 300 mètres.
Lorsqu'il est recherché d’alimenter des périphériques à des distances plus importantes ou sans diminuer la puissance électrique disponible, il est possible d’utiliser un extenseur connecté au secteur, tel qu’illustré sur la figure 2.
Dans l’exemple de la figure 2, l’extenseur101comporte également une entrée réseauE11et une sortie réseauS11sur lesquelles deux câbles réseauC11etC12sont connectés. Contrairement au mode de réalisation de la figure 1, le câbleC12peut transporter du POE de même type au d’un type supérieur au câble réseauC11dans l’exemple de la figure 2.
Pour ce faire, la puissance électriqueP1est transmise à un premier convertisseur continu/continu161délivrant une tension interneTi, également alimentée par un convertisseur alternatif/continu163. La tension alternative de ce convertisseur alternatif/continu163est obtenue par une entrée secteurE12branchée sur un réseau basse-tension165, par exemple un réseau 220 Volts. Par ailleurs, la tension interneTiest utilisée en entrée d’un second convertisseur continu/continu162de sorte à générer l’énergie électrique de puissanceP2jusqu’à la sortie réseauS11.
Ce type d’extenseur101, utilisant la puissance du secteur pour redresser la puissance électrique du POE, supprime une grande partie de l'intérêt de la technologie POE qui vise à alimenter un périphérique sans recourir à une alimentation du secteur.
Il est à noter que le séparateur15et l’agrégateur16des figures 1 et 2 visent uniquement à illustrer la séparation des donnéesDide la puissance électriqueP1-P2. En pratique, le séparateur15et l’agrégateur16peuvent simplement être réalisés en utilisant les broches de connexion de l’entrée réseauE11et de la sortie réseauS11.
Malgré les deux types d’extenseur100,101illustrés sur les figures 1 et 2, un grand nombre d'applications ne permet pas d'utiliser la technologie POE sans utiliser le secteur, car la puissance électrique transmise par le câble réseau n’est pas suffisante pour alimenter le périphérique. Par exemple, lorsqu'un périphérique connecté requiert une puissance de 60W pour son fonctionnement à une distance du routeur supérieure à 100 mètres, il est actuellement nécessaire de connecter le périphérique sur le secteur et d'utiliser le câble réseau uniquement pour transmettre les données.
Le problème technique de l'invention consiste donc à alimenter au moins un périphérique au moyen d’une énergie électrique transmise en POE avec une puissance importante et/ou à une distance importante.
Pour répondre à ce problème technique, l'invention propose d'utiliser un élément de stockage d'énergie intégré dans un dispositif d’alimentation disposé en amont du périphérique et permettant d'augmenter la puissance disponible d’une énergie électrique transmise en POE, pendant une durée limitée.
A cet effet, l’invention concerne un dispositif d’alimentation d’au moins un périphérique de faible disponibilité, le dispositif d’alimentation comportant :
– une entrée réseau destinée à recevoir un câble réseau alimenté en énergie électrique ;
– au moins une sortie destinée à alimenter au moins un périphérique au moyen de l’énergie électrique transmise par le câble réseau connecté sur l’entrée réseau.
L’invention se caractérise en ce que le dispositif d’alimentation comporte également :
– un convertisseur de tension d’entrée recevant l’énergie électrique transmise par le câble réseau connecté sur l’entrée réseau pour fournir une tension interne ;
– un élément de stockage d’énergie connecté sur la tension interne ;
– un convertisseur de tension de sortie connecté entre la tension interne et la sortie ; et
– un organe de supervision commandant l’activation du convertisseur de tension de sortie, sur une durée limitée, lorsqu’un besoin d’énergie est détecté sur la sortie.
Au sens de l’invention, une « entrée réseau » correspond à un connecteur destiné à recevoir un câble réseau contrairement à une « entrée secteur » destinée à recevoir une alimentation électrique d’un réseau public. Plus précisément, une entrée réseau destinée à recevoir un câble réseau alimenté en énergie électrique correspond à une entrée réseau utilisant la technologie POE.
L’invention propose donc d’alimenter au moins un périphérique de faible disponibilité en déchargeant l’élément de stockage d’énergie de sorte à transmettre une puissance électrique supérieure à celle reçue par un câble réseau alimenté en POE connecté sur l’entrée réseau. Pour ce faire, l’élément de stockage d’énergie doit être rechargé dans les phases pendant lesquelles le périphérique ne consomme pas d’énergie.
L’invention permet également de compenser une défaillance d’alimentation pouvant survenir sur le câble réseau connecté sur l’entrée réseau en déchargeant l’élément de stockage d’énergie pour fournir toute l’énergie nécessaire au fonctionnement d’au moins un périphérique.
De préférence, l’organe de supervision reçoit l’état de charge de l’élément de stockage d’énergie et active le convertisseur de tension d’entrée lorsque l’état de charge de l’élément de stockage d’énergie est inférieur à une valeur seuil de recharge et qu’aucun besoin d’énergie n’est détecté sur la sortie. Ce mode de réalisation permet d’activer le convertisseur de tension d’entrée jusqu’à ce que l’élément de stockage d’énergie atteigne un état de charge prédéterminé et, ensuite, de désactiver le convertisseur de tension d’entrée pour limiter sa consommation. En variante, le convertisseur de tension d’entrée peut être activé en permanence.
De préférence, le convertisseur de tension de sortie n’est activé que lorsqu’un besoin d’énergie est détecté sur la sortie pour limiter sa consommation. En variante, il peut être activé en même temps que le convertisseur de tension d’entrée, c’est-à-dire également lors des phases de recharge de l’élément de stockage d’énergie, pour limiter le nombre de signaux de commande de l’organe de supervision.
La durée limitée d’activation du convertisseur de tension de sortie dépend préférentiellement de l’état de charge de l’élément de stockage d’énergie. Selon un mode de réalisation, l’organe de supervision désactive le convertisseur de tension de sortie lorsque la charge de l’élément de stockage d’énergie est inférieure à une valeur seuil de décharge. Ce mode de réalisation permet de protéger l’élément de stockage d’énergie tout en répondant au maximum aux besoins du périphérique.
En variante, l’organe de supervision peut identifier un périphérique connecté sur une sortie de sorte à contrôler son comportement. Ainsi, l’organe de supervision peut alimenter un périphérique spécifique sur une durée prédéterminée. Par exemple, pour un volet roulant, l’organe de supervision peut connaitre le temps maximum d’activation du volet roulant et activer le convertisseur de tension de sortie pendant cette durée connue, enregistrée dans une mémoire ou une base de données.
Pour identifier un périphérique, l’organe de supervision peut communiquer en réseau avec le périphérique lorsque celui-ci reçoit une communication réseau. Pour ce faire, l’organe de supervision est préférentiellement connecté avec les informations réseau transmises par le câble réseau connecté sur l’entrée réseau.
Ainsi, l’organe de supervision présente une adresse internet et il est possible de communiquer avec l’organe de supervision depuis un dispositif externe. Cette communication réseau permet, par exemple, de mettre à jour l’organe de supervision ou d’implémenter des fonctionnalités avancées dans le dispositif d’alimentation. Par exemple, en analysant la consommation de chaque périphérique connecté sur plusieurs sorties, il est possible de retransmettre l’évolution des consommations des périphériques. Selon un autre exemple, l’organe de supervision peut retransmettre une estimation périodique de l’état de santé de l’élément de stockage d’énergie, c’est-à-dire d’un état des performances de l’élément de stockage d’énergie.
Pour ce faire, l’organe de supervision décharge l’élément de stockage d’énergie d’une quantité d’énergie prédéterminée et mesure la tension à vide. Cette tension à vide est ensuite comparée à une valeur seuil pour estimer l’état de santé.
En variante, l’organe de supervision peut identifier un périphérique sans communiquer avec lui et en analysant la consommation au démarrage de ce périphérique.
En effet, il existe une signature physique propre à chaque périphérique qui est visible lorsque les variations du courant d’initialisation du périphérique sont observées. Cette signature physique est liée à l’architecture électronique du périphérique, c’est-à-dire la structure et la tolérance de son convertisseur, la nature des composants électroniques, la topologie des composants et les perturbations électromagnétiques qui en découlent…
De manière générale, les périphériques peuvent être alimentés en POE ou au moyen de câbles d’alimentation classiques, c’est-à-dire de câbles d’alimentation ne comportant pas de fils permettant de transmettre des données. Pour alimenter un périphérique en POE, les données de l’entrée réseau sont transmises à au moins une sortie. Pour alimenter un périphérique sans information réseau, les données de l’entrée réseau ne sont pas transmises à au moins une sortie.
Description sommaire des figures
La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 à 4 représentent :
La figure 1 une représentation schématique d’un extenseur à diminution de puissance de l’état de la technique ;
La figure 2 est une représentation schématique d’un extenseur à redressement secteur de l’état de la technique ;
La figure 3 est une représentation schématique d’un dispositif d’alimentation d’un périphérique de faible disponibilité selon un premier mode de réalisation de l’invention ; et
La figure 4 est une représentation schématique d’un dispositif d’alimentation de deux périphériques de faible disponibilité selon un second mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l’invention
La figure 3 illustre un dispositif d’alimentation10ad’un périphérique12ade faible disponibilité, par exemple une barrière automatique ou un contacteur de porte. Le dispositif d'alimentation10aprésente une entrée réseauE1sur laquelle est connecté un câble réseauC1alimenté électriquement selon la technologie POE. Ainsi, le câble d'alimentationC1présente des fils transportant des données destinées au fonctionnement du réseau et des fils transportant une énergie électrique. La puissance électrique transmise sur le câble réseauC1dépend de la norme POE utilisée et de la composition du câble réseau.
Ainsi, le câble réseauC1peut acheminer plusieurs puissances électriquesP1en fonction de la norme utilisée, du type de câble et de la distance parcourue depuis le routeur ou tout autre dispositif POE sur lequel est également connecté le câble réseauC1.
Un séparateur15extrait les donnéesDiet l’énergie électrique pour transmettre la puissance électriqueP1à un convertisseur continu/continu d’entrée11. Le convertisseur continu/continu d’entrée11permet de générer une tension interneTisur laquelle est connectée un convertisseur continu/continu de sortie12. Le convertisseur continu/continu de sortie12permet de générer une puissance électriqueP2, supérieure à la puissance électriqueP1. Pour ce faire, la tension interneTiest également connectée à un élément de stockage d’énergie13de sorte à fournir l’énergie nécessaire pour augmenter la puissance de l’énergie électrique entre la puissance électriqueP1et la puissance électriqueP2.
L’élément de stockage d’énergie23peut, par exemple, être constituée d’une batterie au lithium, dont la capacité est comprise entre 5 Wh et 5 KWh. En variante, l’élément de stockage d’énergie23peut correspondre à un ou plusieurs condensateurs ou un ou plusieurs supercondensateurs.
Un agrégateur16regroupe ensuite les donnéesDiet l’énergie électrique de puissanceP2jusqu’à une sortie réseauS 1sur laquelle un autre câble réseauC 2est connecté. Un périphérique12aest ensuite alimenté au moyen d’un câble réseauC2connecté entre la sortie réseauS1et une entrée réseauE2du périphérique12a. Ainsi, le périphérique12aest alimenté en utilisant la technologie POE, c’est-à-dire en utilisant des fils du câble réseauC2pour transmettre l’énergie électrique de puissanceP2.
Il est à noter que le séparateur15et l’agrégateur16visent uniquement à illustrer la séparation des donnéesDide la puissance électriqueP1-P2. En pratique, le séparateur15et l’agrégateur16peuvent simplement être réalisés en utilisant les broches de connexion de l’entrée réseauE 1et de la sortie réseauS 1.
La gestion de l’alimentation10aest assurée par un organe de supervision14qui analyse, au cours du temps, la demande de puissance sur la sortie réseauS1, au moyen du signalb1. Dès qu’une puissance est demandée sur la sortie réseauS1, l’organe de supervision14active le convertisseur continu/continu de sortie12, au moyen du signala2. Au cours de l’activation du convertisseur continu/continu de sortie12, l’élément de stockage d’énergie13se décharge pour fournir la puissanceP2demandée par le périphérique12a. Ainsi, l’organe de supervision14active le convertisseur continu/continu de sortie12sur une durée limitée. Cette durée limitée peut correspondre au temps de décharge de l’élément de stockage d’énergie13. Pour ce faire, l’organe de supervision14reçoit une information sur l’état de charge de l’élément de stockage d’énergie13au moyen du signalBatet l’organe de supervision14désactive le convertisseur continu/continu de sortie12lorsque l’état de chargeBatest inférieur à une valeur seuil de décharge. En variante, la durée limitée de décharge peut correspondre à une durée prédéterminée et associée au périphérique12a.
En outre, l’organe de supervision14peut également gérer l’activation du convertisseur continu/continu d’entrée11au moyen d’un signala1. Ainsi, l’organe de supervision14peut commander la recharge de l’élément de stockage d’énergie13uniquement lorsque l’état de chargeBatde l’élément de stockage d’énergie13est inférieur à une valeur seuil de recharge et qu’aucun besoin d’énergie n’est détecté sur la sortie réseauS1. En variante, l’organe de supervision14peut activer simultanément les signauxa1eta2pour limiter le nombre de ports de sortie de l’organe de supervision14.
L’organe de supervision14peut, par exemple, être constitué d’un microprocesseur ou d’un microcontrôleur. Cet organe de supervision14peut comporter une mémoire et une entrée réseau de sorte que les données réseauxDisoient transmises à l’organe supervision14, tel qu’illustré sur la figure 4. Cette connexion réseau permet à l’organe de supervision14de mettre à jour l’organe de supervision ou d’implémenter des fonctionnalités avancées dans le dispositif d’alimentation10a: analyse de la consommation du périphérique12a, estimation périodique de l’état de santé de l’élément de stockage d’énergie13…
Par ailleurs, le dispositif d’alimentation10ade la figure 3 permet d’alimenter un seul périphérique12aselon la technologie POE. En variante, il est possible d’alimenter plusieurs périphériques de faible disponibilité, tel qu’illustré sur la figure 4. En effet, dans le mode de réalisation de la figure 4, deux périphériques12bet12csont alimentés par un dispositif d’alimentation10balimenté par un seul câble réseauC1transmettant une énergie électrique selon la technologie POE. Un premier périphérique12best connecté en POE au moyen d’un câble réseauC2, connecté entre une sortie réseauS1du dispositif d’alimentation10bet une entrée réseauE2du périphérique12b.
Le second périphérique12cest connecté avec un câblé d’alimentation classiqueC3, c’est-à-dire un câble intégrant uniquement la transmission d’une puissance électrique sans transmettre d’information réseau. Ainsi, la sortieS2du dispositif d’alimentation10best connectée en sortie du convertisseur continu/continu de sortie12, alors que la sortie réseauS1est connectée en sortie de l’agrégateur16. Le câbleC3est donc connecté entre une sortieS2et une entréeE3du périphérique12c. La sortieS2et l’entréeE3peuvent correspondre à des prises de courant femelles et le câbleC3peut présenter une prise de courant mâle à chacune de ses extrémités. De plus, dans ce mode de réalisation, l’activation du convertisseur continu/continu de sortie12est assurée par l’organe de supervision14lorsqu’il détecte une demande de puissance sur la sortie réseauS1, au moyen du signalb1, ou sur la sortieS2, au moyen du signalb2.
L’invention permet ainsi d’alimenter un périphérique12a-12cau moyen d’un câble réseauC1alimenté en POE en passant par un dispositif d’alimentation10a,10b.
Par exemple, un tel dispositif d’alimentation10a,10bpeut avoir un grand intérêt pour une barrière automatique, qui a besoin d'une puissance électrique importante pour son actionnement.
En utilisant le dispositif d’alimentation10a,10b, il est possible d’alimenter la barrière automatique par le dispositif d’alimentation10a,10bet de décharger l’élément de stockage d’énergie13dans les phases très courtes pour lesquelles l’actionnement de la barrière est requis.
En dehors de ces phases, l’élément de stockage d’énergie13est rechargé, de sorte à anticiper une prochaine activation de la barrière automatique.
Ainsi, il est possible de connecter un câble réseauC1alimenté en POE en entrée du dispositif d’alimentation de l’invention10a,10bpour remplacer une alimentation électrique classique utilisée pour des périphériques de faible disponibilité12a-12c.

Claims (8)

  1. Dispositif d’alimentation (10a, 10b) d’au moins un périphérique (12a-12c) de faible disponibilité, le dispositif d’alimentation (10a, 10b) comportant :
    – une entrée réseau (E1) destinée à recevoir un câble réseau (C1) alimenté en énergie électrique ;
    – au moins une sortie (S1-S2) destinée à alimenter au moins un périphérique (12a-12c) au moyen de l’énergie électrique transmise par le câble réseau (C1) connecté sur l’entrée réseau (E1) ;
    caractéris é en ce que le dispositif d’alimentation (10a, 10b) comporte également :
    – un convertisseur de tension d’entrée (11) recevant l’énergie électrique transmise par le câble réseau (C1) connecté sur l’entrée réseau (E1) pour fournir une tension interne (Ti) ;
    – un élément de stockage d’énergie (13) connecté sur la tension interne (Ti) ;
    – un convertisseur de tension de sortie (12) connecté entre la tension interne (Ti) et la sortie (S1-S2) ; et
    – un organe de supervision (14) commandant l’activation du convertisseur de tension de sortie (12), sur une durée limitée, lorsqu’un besoin d’énergie est détecté sur la sortie (S1-S2).
  2. Dispositif d’alimentation selon la revendication 1, dans lequel l’organe de supervision (14) recevant l’état de charge (Bat) de l’élément de stockage d’énergie (13) de sorte à activer le convertisseur de tension d’entrée (11) lorsque l’état de charge (Bat) de l’élément de stockage d’énergie (13) est inférieur à une valeur seuil de recharge et qu’aucun besoin d’énergie n’est détecté sur la sortie (S1-S2).
  3. Dispositif d’alimentation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’organe de supervision (14) active le convertisseur de tension de sortie (12) uniquement lorsqu’un besoin d’énergie est détecté sur la sortie.
  4. Dispositif d’alimentation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’organe de supervision (14) active simultanément le convertisseur de tension d’entrée (11) et le convertisseur de tension de sortie (12).
  5. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’organe de supervision (14) désactive le convertisseur de tension de sortie (12) lorsque l’état de charge (Bat) de l’élément de stockage d’énergie (13) est inférieur à une valeur seuil de décharge.
  6. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’organe de supervision (14) est connecté avec les informations réseau transmises par le câble réseau (C1) connecté sur l’entrée réseau (E1).
  7. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les données (Di) de l’entrée réseau (E1) sont transmises à au moins une sortie (S1-S2).
  8. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les données (Di) de l’entrée réseau (E1) ne sont pas transmises à au moins une sortie (S1-S2).
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