JP2008271662A - Charging device of capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力用コンデンサを設定電圧まで繰り返し充電する充電装置に係り、特に単相インバータの半周期毎の出力でトランスを介してコンデンサを半周期毎のLC共振電流で充電目標電圧まで充電する充電装置に関する。 The present invention relates to a charging device that repeatedly charges a power capacitor to a set voltage, and in particular, charges a capacitor to a charging target voltage with an LC resonance current for each half cycle through a transformer at an output for each half cycle of a single-phase inverter. The present invention relates to a charging device.
この種の充電装置は、例えば、電力用コンデンサを高圧で初期充電し、このコンデンサからの放電パルスを磁気パルス圧縮してレーザヘッドなどの負荷に高圧大電流でパルス放電させるパルス電源の充電器として設けられる。 This type of charging device is, for example, a charger for a pulse power source that initially charges a power capacitor at a high voltage and compresses a discharge pulse from the capacitor to a pulse such as a laser head at a high voltage and a large current. Provided.
図3は、電力用コンデンサを単相インバータで充電する充電装置の主回路構成図を示す。インバータ部1は、半導体スイッチS1〜S4とダイオードD1〜D4をそれぞれ逆並列接続した4つのアームをブリッジ接続し、スイッチS1、S4とスイッチS2、S3の相補オン動作で単相交流出力を発生する。出力トランス2は、インバータ部1の出力を昇圧した二次出力を得る。整流回路3は、ダイオードD5〜D8をブリッジ接続し、トランス2の出力を全波整流し、電力用コンデンサ4に直流充電電流を供給する。リアクトル5はトランス2の二次出力巻線に直列に介挿され、コンデンサ4とのLC共振動作によって、コンデンサ4との間に半周期の振動電流を発生し、コンデンサ4に充電を得る。
FIG. 3 is a main circuit configuration diagram of a charging device that charges a power capacitor with a single-phase inverter. The
充電制御回路6は、インバータの半導体スイッチS1〜S4のうち、スイッチS1,S4オンと、スイッチS3,S2オンを交互に繰り返し制御し、インバータ部1の半周期出力でコンデンサ4を1回充電させる。この充電動作は、
(モード1)スイッチS1,S4をオンさせて充電動作を開始し、コンデンサ4の充電電圧が目標値に達する時点でスイッチS1,S4をオフさせて充電動作を停止する。この充電完了後、コンデンサ4は負荷側に放電する。
The charge control circuit 6 alternately controls the switches S1, S4 on and the switches S3, S2 on among the semiconductor switches S1 to S4 of the inverter, and charges the
(Mode 1) The charging operation is started by turning on the switches S1 and S4, and the charging operation is stopped by turning off the switches S1 and S4 when the charging voltage of the
(モード2)モード1の終了後、スイッチS3,S2をオンさせて充電動作を開始し、コンデンサ4の充電電圧が目標値に達する時点でスイッチS3,S2をオフさせて充電動作を停止する。この充電完了後、コンデンサ4は負荷側に放電する。
(Mode 2) After the end of
この充電動作において、モード1とモード2での充電電流の大きさや充電期間に差があると、トランスに電圧の直流分が加わり、トランスの鉄心が偏磁する。最悪の場合、トランスが磁気飽和し、インバータに過大な電流が流れる。また、所定の充電動作も不能となる。
In this charging operation, if there is a difference in the magnitude of the charging current between
トランスの偏磁を防止する回路として、トランスに流れる正負の一次電流を検出し、この正負の電流差に応じてインバータ(またはプッシュプル回路)のアームのオン期間(PWM波形の幅、スイッチ期間)を補正する方式がある(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
トランスの電流を検出し、この電流の正負の差分に応じてスイッチ期間を補正する従来の偏磁防止方式では、インバータまたはプッシュプル回路の出力電圧(PWM波形の幅、スイッチ期間)を制御することになる。 In the conventional anti-magnetization method that detects the transformer current and corrects the switch period according to the difference between the positive and negative currents, the output voltage (PWM waveform width, switch period) of the inverter or push-pull circuit is controlled. become.
ここで、パルス電源用の充電装置など、インバータの半周期毎の出力でコンデンサを半周期毎のLC共振電流で充電目標電圧まで充電する充電装置では、コンデンサの充電電圧目標値、充電開始前のコンデンサの残留電圧およびインバータの直流電圧によって、スイッチのオン時間を大きく変化させるため、従来の偏磁防止方式ではこれら充電条件の変更に追従した補正ができない。 Here, in a charging device such as a charging device for a pulse power supply that charges a capacitor to a charging target voltage with an LC resonance current every half cycle with an output every half cycle of the inverter, the charging voltage target value of the capacitor, before charging starts Since the on-time of the switch is largely changed depending on the residual voltage of the capacitor and the DC voltage of the inverter, the conventional anti-bias method cannot make corrections following changes in these charging conditions.
特に、コンデンサから負荷となるパルス発生回路あるいは放電負荷への放電は、コンデンサの半周期充電毎に充電電圧目標値が例えば50〜100%と大きく変化する場合があり、従来のトランスの電流検出による補正では、対応が困難となる。 In particular, the discharge from the capacitor to the pulse generation circuit or the discharge load serving as a load may cause the charge voltage target value to vary greatly, for example, from 50 to 100% for each half-cycle charge of the capacitor. In the correction, it becomes difficult to cope.
本発明の目的は、インバータの半周期毎の出力でトランスを介してコンデンサを半周期毎のLC共振電流で充電目標電圧まで充電する充電方式において、インバータの半周期毎のオン時間に差がある場合にもトランスの偏磁を確実に防止できるコンデンサの充電装置を提供することにある。 An object of the present invention is that there is a difference in on-time for each half cycle of the inverter in a charging method in which a capacitor is charged to a charge target voltage with an LC resonance current for each half cycle via a transformer with an output for each half cycle of the inverter. Even in such a case, it is an object of the present invention to provide a capacitor charging device that can reliably prevent transformer magnetic demagnetization.
本発明は、前記の課題を解決するため、インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性からトランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力を、トランスの鉄心が飽和しない方向の極性になるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention obtains the difference between the amount of positive and negative magnetic flux generated in the transformer from the DC voltage of the inverter, the ON time of the inverter switch, and the positive / negative current polarity flowing in the transformer, and the inverter is determined according to the positive / negative of this difference. The next half-cycle output has a polarity in a direction that does not saturate the iron core of the transformer, and has the following configuration.
(1)フルブリッジ構成の単相インバータの半周期毎の出力をインバータスイッチのオン時間で制御し、この出力をトランスを介してリアクトルとコンデンサにLC共振電流を流し、コンデンサを半周期毎に充電目標電圧まで充電する充電装置において、
単相インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性から、トランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力をトランスの鉄心が飽和しない方向の極性にする充電制御回路を備えたことを特徴とする。
(1) The half-cycle output of a full-bridge single-phase inverter is controlled by the on-time of the inverter switch, and this output is supplied to the reactor and capacitor via the transformer to pass LC resonance current, charging the capacitor every half cycle. In a charging device that charges to a target voltage,
The difference in the amount of positive and negative magnetic flux generated in the transformer is determined from the DC voltage of the single-phase inverter, the inverter switch ON time, and the polarity of the positive and negative currents flowing in the transformer, and the next half-cycle output of the inverter is calculated based on the positive and negative of this difference. A charge control circuit is provided that sets the polarity so that the iron core does not saturate.
(2)前記充電制御回路は、
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間にインバータの直流電圧を係数として乗じることで、インバータの半周期のオン時間に応じてトランスに発生する正または負の磁束量を求める乗算回路と、
正または負の磁束量の加減算でトランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
を備えたことを特徴とする。
(2) The charge control circuit includes:
An on-time arithmetic circuit for obtaining an on-time of a half cycle of the inverter according to the charging target voltage of the capacitor and outputting a pulse having a width corresponding to the on-time;
Multiplying the on-time by a DC voltage of the inverter as a coefficient to obtain a positive or negative magnetic flux amount generated in the transformer according to the on-time of the half cycle of the inverter;
An addition / subtraction circuit for obtaining a difference between positive and negative magnetic flux amounts generated according to positive and negative current polarities flowing in the transformer by addition / subtraction of positive or negative magnetic flux amount;
A zero comparison circuit for determining whether the calculated magnetic flux amount of the addition / subtraction circuit is positive or negative with respect to zero;
A state change permission circuit that latches the determination result of the zero comparison circuit in an off period of the inverter;
An on-switch selection circuit that selects the polarity of the ON output of the half cycle of the inverter according to the determination result of the state change permission circuit;
It is provided with.
(3)前記充電制御回路は、
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間を積分許可信号とし、この信号期間だけインバータの直流電圧検出値を加減算することで、トランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
を備えたことを特徴とする。
(3) The charge control circuit includes:
An on-time arithmetic circuit for obtaining an on-time of a half cycle of the inverter according to the charging target voltage of the capacitor and outputting a pulse having a width corresponding to the on-time;
An addition / subtraction circuit for obtaining a difference between positive and negative magnetic flux amounts generated according to positive and negative current polarities flowing in the transformer by adding and subtracting the DC voltage detection value of the inverter only during this signal period, with the ON time as an integration permission signal;
A zero comparison circuit for determining whether the calculated magnetic flux amount of the addition / subtraction circuit is positive or negative with respect to zero;
A state change permission circuit that latches the determination result of the zero comparison circuit in an off period of the inverter;
An on-switch selection circuit that selects the polarity of the ON output of the half cycle of the inverter according to the determination result of the state change permission circuit;
It is provided with.
以上のとおり、本発明によれば、インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性からトランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力を、トランスの鉄心が飽和しない方向の極性になるようにしたため、インバータの半周期毎のオン時間に差がある場合にもトランスの偏磁を確実に防止できる。 As described above, according to the present invention, the difference between the amount of positive and negative magnetic flux generated in the transformer is obtained from the DC voltage of the inverter, the ON time of the inverter switch, and the polarity of positive and negative currents flowing in the transformer, and the next time of the inverter according to the positive and negative of this difference. Since the polarity of the half-cycle output is such that the transformer core does not saturate, even if there is a difference in the on-time for each half-cycle of the inverter, the transformer can be reliably prevented from being magnetized.
また、充電制御回路は、インバータの判周期のオン時間(パルス幅)を基にした演算回路で構成するため、インバータ直流電圧、オン時間演算回路出力がデジタル量の場合に比べて回路処理を簡単化でき、既存の充電制御回路の少しの改造で済む。 In addition, since the charge control circuit is composed of an arithmetic circuit based on the ON time (pulse width) of the inverter cycle, the circuit processing is simpler than when the inverter DC voltage and ON time arithmetic circuit output are digital quantities. And requires only a slight modification of the existing charge control circuit.
(実施形態1)
図1は、本実施形態を示す充電制御回路のブロック構成図であり、図3のインバータ部1の充電制御回路6に代えるものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block configuration diagram of a charge control circuit showing the present embodiment, which replaces the charge control circuit 6 of the
前記のように、従来の単相インバータでは、スイッチS1,S4のオンと、スイッチS3,S2のオンを交互に繰り返し制御する。これに対して、本実施形態では、インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性からトランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力を、トランスの鉄心が飽和しない方向の極性になるように、スイッチS1,S4のオンと、スイッチS3,S2のオンを選択する。 As described above, in the conventional single-phase inverter, the switches S1 and S4 are turned on and the switches S3 and S2 are turned on alternately and repeatedly. In contrast, in this embodiment, the difference between the amount of positive and negative magnetic flux generated in the transformer is obtained from the DC voltage of the inverter, the ON time of the inverter switch, and the polarity of positive and negative currents flowing through the transformer, and the next time the inverter is operated according to the positive and negative of this difference. The switches S1 and S4 are turned on and the switches S3 and S2 are turned on so that the half-cycle output has a polarity in a direction that does not saturate the iron core of the transformer.
オン時間演算回路11は、コンデンサ4の充電目標電圧(目標値)に応じてスイッチS1,S4オン、またはスイッチS3,S2に必要なオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力する。インバータ直流電圧検出回路12は、インバータ部1の直流電圧を検出し、この直流電圧の変動によるトランスの磁束変動分を補正する係数として検出する。
The on-time
乗算回路13は、オン時間演算回路11からのオン時間に電圧検出回路12の出力(係数)を乗じることで、スイッチのオン時間に応じてトランス2に発生する正または負の磁束量を求める。すなわち、トランス2に発生する正または負の磁束量はインバータ直流電圧×スイッチのオン時間で算出される。なお、コンデンサの充電において、充放電の周期が短く(繰り返し周波数が高く)なると、インバータのオン時間も短くなる。例えば、繰り返し周波数10kHzの場合のインバータオン時間は50μsec程度である。この場合、トランス2に発生する正または負の磁束量はインバータ直流電圧の変化をほぼ無視できる。
The
加減算回路(積分回路)14は、乗算回路13の算出出力を、スイッチS1,S4のオン制御時には加算し、スイッチS3,S2のオン制御時には減算することで、トランス2に流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める。
The addition / subtraction circuit (integration circuit) 14 adds the calculated output of the
ゼロ比較回路15は、加減算回路14の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定する。状態変更許可回路(ラッチ回路)16は、スイッチS1,S4のオフ期間またはスイッチS3,S2のオフ期間に、ゼロ比較回路15の判定結果(極性)をラッチする。
The zero
オンスイッチ選択回路17は、状態変更許可回路(ラッチ回路)16の判定結果に応じて、オン時間演算回路11のオン時間出力(パルス出力)でスイッチS1,S4またはスイッチS3、S2のオン出力に切り替える。
The on-
以上の構成によるトランスの偏磁防止動作を説明する。検出回路12でインバータ直流電圧を検出し、オン時間演算回路11で求めたスイッチのオン時間によって、乗算回路13にトランスに流れる半周期の電流でトランスに発生する磁束量を求める。すなわち、インバータの動作1回分の電圧の積分値(磁束の変化分)が求まる。これを加減算回路14で前回の動作までの値に加減算する。加算と減算は、例えばスイッチS1,S4がオンの時は加算、スイッチS3,S2がオンの時は減算とする。この結果をゼロ比較回路15でゼロを境にして磁束量の正負を判定する。
An operation of preventing the bias of the transformer having the above configuration will be described. The
スイッチS1,S4またはスイッチS3,S2のオフ後に、状態変更許可回路(ラッチ回路)16はゼロ比較回路15の判定結果をラッチし、このラッチ状態に応じてオンスイッチ選択回路17がスイッチS1,S4のオンまたはスイッチS3,S2のオンを選択し、選択したスイッチをオン制御する。
After the switches S1 and S4 or the switches S3 and S2 are turned off, the state change permission circuit (latch circuit) 16 latches the determination result of the zero
以上により、フルブリッジ構成の単相インバータの半周期毎の出力をインバータスイッチのオン時間で制御し、この出力をトランスを介してリアクトルとコンデンサにLC共振電流を流し、コンデンサを半周期毎に充電目標電圧まで充電する充電装置において、コンデンサの充電電圧目標値、充電開始前のコンデンサの残留電圧およびインバータ直流電圧により、インバータの半周期毎のオン時間が変化する場合にも、トランスの磁束が偏らない方向のスイッチを選択する振り分けによって、トランスの偏磁を確実に防止できる。 As described above, the half-cycle output of a single-phase inverter with a full bridge configuration is controlled by the on-time of the inverter switch, and this output is supplied to the reactor and the capacitor via the transformer, and the LC resonance current is supplied to the capacitor every half cycle. In a charging device that charges to the target voltage, even if the on-time for each half cycle of the inverter changes due to the target value of the capacitor charging voltage, the residual voltage of the capacitor before the start of charging, and the inverter DC voltage, the transformer magnetic flux is biased. By selecting the switch in the non-directional direction, it is possible to reliably prevent the transformer from being demagnetized.
(実施形態2)
図2は、本実施形態を示す制御回路のブロック構成図であり、図1と同等の部分は同一符号で示す。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a block diagram of the control circuit showing this embodiment, and the same parts as those in FIG.
加減算回路(積分回路)14Aは、インバータの直流電圧検出値を、スイッチS1,S4のオン制御時には加算し、スイッチS3,S2のオン制御時には減算し、これらの加減算をオン時間演算回路11の出力パルス期間になる積分許可信号で実行することで、インバータ直流電圧の変動によりトランス2に発生する磁束量の正負変化分を求める。これによりインバータの動作1回分の、電圧の積分値(磁束の変化分)が求まる。
The addition / subtraction circuit (integration circuit) 14A adds the DC voltage detection value of the inverter when the switches S1 and S4 are on, and subtracts when the switches S3 and S2 are on. By executing the integration permission signal during the pulse period, the amount of change in the amount of magnetic flux generated in the
本実施形態による偏磁防止動作は、加減算回路14Aに得る磁束変化分をゼロ比較回路15でゼロ比較して磁束の正負を判定し、スイッチのオフ後に、状態変更許可回路(ラッチ回路)16を動作させ、スイッチの選択を切り換え、次回インバータ動作時のスイッチを選択する。
In the demagnetization prevention operation according to the present embodiment, the change in magnetic flux obtained by the addition /
以上によりインバータの半周期毎の出力でトランスを介してコンデンサを半周期毎に充電する充電方式において、コンデンサの充電電圧目標値、充電開始前のコンデンサの残留電圧およびインバータ直流電圧により、インバータの半周期毎のオン時間が変化する場合にも、トランスの磁束が偏らない方向のスイッチをオン制御する振り分けによって、トランスの偏磁を確実に防止できる。 As described above, in the charging method in which the capacitor is charged every half cycle through the transformer at the output of every half cycle of the inverter, the half of the inverter is determined based on the target charging voltage value of the capacitor, the residual voltage of the capacitor before starting charging, and the inverter DC voltage. Even when the on-time for each cycle changes, the bias of the transformer can be reliably prevented by the on-control of the switch in the direction in which the magnetic flux of the transformer does not deviate.
1 インバータ部
2 出力トランス
4 コンデンサ
5 リアクトル
6 充電制御回路
11 オン時間演算回路
12 インバータ直流電圧検出回路
13 乗算回路
14 加減算回路
15 ゼロ比較回路
16 状態変更許可回路
17 オンスイッチ選択回路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
単相インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性から、トランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力をトランスの鉄心が飽和しない方向の極性にする充電制御回路を備えたことを特徴とするコンデンサの充電装置。 The output of the full-bridge single-phase inverter every half cycle is controlled by the on-time of the inverter switch, and this output is passed through the transformer to the reactor and the capacitor through the LC resonance current, and the capacitor reaches the target charging voltage every half cycle. In a charging device for charging,
The difference in the amount of positive and negative magnetic flux generated in the transformer is determined from the DC voltage of the single-phase inverter, the inverter switch ON time, and the polarity of the positive and negative currents flowing in the transformer, and the next half-cycle output of the inverter is calculated based on the positive and negative of this difference. A capacitor charging device comprising a charge control circuit for setting the polarity so that the iron core does not saturate.
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間にインバータの直流電圧を係数として乗じることで、インバータの半周期のオン時間に応じてトランスに発生する正または負の磁束量を求める乗算回路と、
正または負の磁束量の加減算でトランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサの充電装置。 The charge control circuit includes:
An on-time arithmetic circuit for obtaining an on-time of a half cycle of the inverter according to the charging target voltage of the capacitor and outputting a pulse having a width corresponding to the on-time;
Multiplying the on-time by a DC voltage of the inverter as a coefficient to obtain a positive or negative magnetic flux amount generated in the transformer according to the on-time of the half cycle of the inverter;
An addition / subtraction circuit for obtaining a difference between positive and negative magnetic flux amounts generated according to positive and negative current polarities flowing in the transformer by addition / subtraction of positive or negative magnetic flux amount;
A zero comparison circuit for determining whether the calculated magnetic flux amount of the addition / subtraction circuit is positive or negative with respect to zero;
A state change permission circuit that latches the determination result of the zero comparison circuit in an off period of the inverter;
An on-switch selection circuit that selects the polarity of the ON output of the half cycle of the inverter according to the determination result of the state change permission circuit;
The capacitor charging device according to claim 1, further comprising:
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間を積分許可信号とし、この信号期間だけインバータの直流電圧検出値を加減算することで、トランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサの充電装置。 The charge control circuit includes:
An on-time arithmetic circuit for obtaining an on-time of a half cycle of the inverter according to the charging target voltage of the capacitor and outputting a pulse having a width corresponding to the on-time;
An addition / subtraction circuit for obtaining a difference between positive and negative magnetic flux amounts generated according to positive and negative current polarities flowing in the transformer by adding and subtracting the DC voltage detection value of the inverter only during this signal period, with the ON time as an integration permission signal;
A zero comparison circuit for determining whether the calculated magnetic flux amount of the addition / subtraction circuit is positive or negative with respect to zero;
A state change permission circuit that latches the determination result of the zero comparison circuit in an off period of the inverter;
An on-switch selection circuit that selects the polarity of the ON output of the half cycle of the inverter according to the determination result of the state change permission circuit;
The capacitor charging device according to claim 1, further comprising:
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