JP2009118648A - Switching power supply - Google Patents
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本発明は、一次・二次間をトランスで絶縁して、一次側にスイッチ素子を備えたスイッチング電源装置に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply apparatus in which a primary and a secondary are insulated by a transformer and a switching element is provided on the primary side.
従来のフルブリッジコンバータを図8に示す。このフルブリッジコンバータは、一次・二次間をトランスTで絶縁し、一次側に二つのスイッチ素子Q1,Q2,Q3,Q4を直列接続して直列回路(以下「のアーム」という。)11,12を二つ備え、これらアーム11,12を並列接続して、ブリッジ回路を構成し、各々の直列回路11,12の中点をトランスTの一次巻線に接続してある。一次巻線の一端とアーム12の中点との間に共振チョークL2を接続し、位相シフト制御を行うように構成してある(例えば、特許文献1参照)。
このフルブリッジコンバータは、トランスTを正負両側に励磁できるため、例えばフォワードコンバータのような片側で1つのスイッチ素子で発振するコンバータよりもトランスを小型にできるメリットがある。また出力チョークL1と平滑コンデンサC2を備えたフィルタ(以下、「LCフィルタ」という。)に加わる電圧波形の周波数がフォワードコンバータの二倍になるため、LCフィルタを小型にできるメリットもある。更にフルブリッジコンバータは位相シフト制御すると補助スイッチを追加することなしにゼロボルトスイッチング(以下「ZVS」という。)を実現できるメリットがある。 Since this full bridge converter can excite the transformer T on both the positive and negative sides, there is an advantage that the transformer can be made smaller than a converter that oscillates with one switch element on one side such as a forward converter. In addition, since the frequency of the voltage waveform applied to the filter (hereinafter referred to as “LC filter”) including the output choke L1 and the smoothing capacitor C2 is twice that of the forward converter, there is an advantage that the LC filter can be downsized. Further, the full bridge converter has an advantage that zero volt switching (hereinafter referred to as “ZVS”) can be realized without adding an auxiliary switch when phase shift control is performed.
しかし、位相シフト制御するフルブリッジ型のスイッチング電源装置は、図9に示すように、循環電流が一次側回路に流れるため、図10に示すPWM制御と比べて導通損失が大きい問題がある。このため損失が大きく、部品を小型化できない。これは停電保持時間を要求されるために、通常時のデューティを狭く設計している電源でより顕著になる。また、この循環電流のエネルギーを利用してZVSを実現するため、負荷が軽くなるとZVSできない問題がある。 However, as shown in FIG. 9, the full-bridge type switching power supply device that performs phase shift control has a problem that the conduction loss is larger than the PWM control shown in FIG. 10 because the circulating current flows to the primary side circuit. For this reason, a loss is large and parts cannot be reduced in size. Since this requires a power outage retention time, it becomes more prominent with a power supply that is designed to have a narrow duty at normal times. Further, since ZVS is realized by using the energy of the circulating current, there is a problem that ZVS cannot be performed when the load is lightened.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、部品を小型化するとともにZVSを実現するスイッチング電源装置を提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a switching power supply device that realizes ZVS while miniaturizing components.
上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に直列接続した偶数個のスイッチ素子を有する第一の直列回路を一又は複数備え、該直列回路の中点を前記トランスの一次巻線に接続してあるスイッチング電源装置において、前記第一の直列回路と並列に、直列接続した偶数個のスイッチ素子を有する第二の直列回路を接続し、前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点との間に共振チョークを接続してあることを特徴とする。
また、前記第一の直列回路を二つ有し、これら前記第一の直列回路と並列に前記第二の直列回路を接続してあることを特徴とする。
又は、前記第一の直列回路を一つ有し、前記第一の直列回路と並列に複数個のコンデンサを直列接続してなる第三の直列回路を接続してあることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, a switching power supply according to the present invention includes one or a plurality of first series circuits having an even number of switching elements in which primary and secondary are insulated by a transformer and connected in series on the primary side. A switching power supply device in which a midpoint of the series circuit is connected to a primary winding of the transformer, and a second series circuit having an even number of switch elements connected in series in parallel with the first series circuit And a resonance choke is connected between the midpoint of the first series circuit and the midpoint of the second series circuit.
The first series circuit is provided in two, and the second series circuit is connected in parallel with the first series circuit.
Or it has one said 1st series circuit, The 3rd series circuit formed by connecting a some capacitor | condenser in series with said 1st series circuit is connected, It is characterized by the above-mentioned.
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスで絶縁し、前記トランスの一次巻線にスイッチ素子を直列接続したスイッチング電源装置において、前記一次巻線と前記スイッチ素子とを有する第一の直列回路を備え、この第一の直列回路と並列に整流素子とスイッチ素子とを有する第二の直列回路を接続し、前記第一の直列回路を構成する一次巻線とスイッチ素子との接続点と、前記第二の直列回路を構成する整流素子とスイッチ素子との接続点との間に共振チョークを接続してあることを特徴とする。
また、前記第一の直列回路を二つ有し、これら前記第一の直列回路を構成するトランスの一次巻線同士を接続し、これら前記第一の直列回路と並列に前記第二の直列回路を接続してあることを特徴とする。
Further, the switching power supply according to the present invention is a switching power supply in which the primary and secondary are insulated by a transformer, and the switching element is connected in series to the primary winding of the transformer. A first series circuit having the first series circuit, a second series circuit having a rectifier element and a switch element connected in parallel with the first series circuit, and a primary winding and a switch element constituting the first series circuit And a resonance choke is connected between a connection point between the rectifying element and the switch element constituting the second series circuit.
Further, the first series circuit has two, the primary windings of the transformer constituting the first series circuit are connected to each other, and the second series circuit is connected in parallel with the first series circuit. Are connected.
本発明によれば、第一の直列回路と並列に第二の直列回路を各々接続し、前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点の間に各々共振チョークを接続してあることにより、共振チョークの電流が大幅に減るため、損失の低減と共振チョークの小型化が可能になる。 According to the present invention, each of the second series circuits is connected in parallel with the first series circuit, and each resonance choke is provided between the midpoint of the first series circuit and the midpoint of the second series circuit. By being connected, the current of the resonant choke is greatly reduced, so that loss can be reduced and the resonant choke can be downsized.
また、前記構成より、位相シフト制御にしなくてもZVSを実現できるため、循環電流を流さずに済むようになり、スイッチ並びにトランスの一次巻線の損失を低減できる。さらに、循環電流のエネルギーでZVSさせないので、ZVS条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してZVSを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。 Further, according to the above configuration, ZVS can be realized without using phase shift control, so that it is not necessary to flow a circulating current, and the loss of the primary winding of the switch and the transformer can be reduced. Furthermore, since ZVS is not performed by the energy of the circulating current, the ZVS condition is not influenced by the load, and ZVS can be stably realized at full load or no load, and low noise is achieved even at no load.
加えて、第二の直列回路には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二の直列回路のスイッチは小さなものでよい。 In addition, since only the current for discharging the parasitic capacitance of the main circuit flows in the second series circuit, the switch of the second series circuit may be small.
発明を実施するための最良の形態の回路図を図1に示す。図1図示のスイッチング電源装置は、フルブリッジ型のスイッチング電源装置の実施例である。このスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスTで絶縁し、一次側に二つのスイッチ素子Q1,Q2およびQ3,Q4を直列接続した第一の直列回路(以下「第一のアーム」という。)11,12を二つ備え、これらアーム11,12を並列接続して、ブリッジ回路を構成し、各々の直列回路11,12の中点をトランスTの一次巻線に接続してある。
A circuit diagram of the best mode for carrying out the invention is shown in FIG. The switching power supply shown in FIG. 1 is an embodiment of a full bridge type switching power supply. This switching power supply device is a first series circuit (hereinafter referred to as “first arm”) in which primary and secondary are insulated by a transformer T and two switch elements Q1, Q2 and Q3, Q4 are connected in series on the primary side. .) 11 and 12 are provided, and these
二次側は二つの整流素子D1,D2を備えた整流回路と、出力チョークL1と平滑コンデンサC2とを備えた平滑回路を備え、トランスTの二次巻線は整流回路に接続し、整流回路は平滑回路に接続して、出力電圧を供給する。なお、本発明においては、二次側の構成については限定しない。 The secondary side includes a rectifier circuit including two rectifier elements D1 and D2, and a smoothing circuit including an output choke L1 and a smoothing capacitor C2, and the secondary winding of the transformer T is connected to the rectifier circuit. Is connected to a smoothing circuit to supply an output voltage. In the present invention, the configuration on the secondary side is not limited.
続いて、本実施例は以下の構成に特徴を有する。二つのスイッチ素子Q11,Q12およびQ13,Q14を直列接続した第二の直列回路(以下「第二のアーム」という。)21,22を二つ備え、これら第二のアーム21,22を並列接続してある。また、これら第二のアーム21,22は二つの第一のアーム11,12と並列接続してある。一方の第一のアーム11の中点と一方の第二のアーム21の中点との間に共振チョークL11を接続してあるとともに、他方の第一のアーム12の中点と他方の第二のアーム22の中点との間に別の共振チョークL12を接続してある。
Subsequently, the present embodiment is characterized by the following configuration. Two second series circuits (hereinafter referred to as “second arms”) 21 and 22 in which two switch elements Q11 and Q12 and Q13 and Q14 are connected in series are provided, and these
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一のアーム11,12に設けたハイサイドスイッチQ1,Q3がターンオンする直前に、第二のアーム21,22に設けたハイサイドスイッチQ11,Q13をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークL11,L12に移動し、第二のアーム21,22に設けたハイサイドスイッチQ11,Q13がターンオフされたタイミングで第一のアーム11,12に設けたハイサイドスイッチQ1,Q3と、第二のアーム21,22に設けたローサイドスイッチQ12,Q14のボディダイオードを通して、入力コンデンサC1に回生される。これによりハイサイドスイッチQ1,Q3のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
The switching power supply device configured as described above operates as follows. Immediately before the high-side switches Q1 and Q3 provided on the
また、第一のアーム11,12に設けたローサイドスイッチQ2,Q4がターンオンする直前に、第二のアーム21,22に設けたローサイドスイッチQ12,Q14をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークL11,L12に移動し、第二のアーム21,22に設けたローサイドスイッチQ12,Q14がターンオフされたタイミングで、第一のアーム11,12に設けたローサイドスイッチQ2,Q4と、第二のアーム21,22に設けたハイサイドスイッチQ11,Q13のボディダイオードを通して、入力コンデンサC1に回生される。これによりローサイドスイッチQ2,Q4のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
Also, immediately before the low-side switches Q2 and Q4 provided on the
以上の作用より、図2に示すように、共振チョークの電流が、図3に示す位相シフト制御の場合と比べて、大幅に減るため、損失の低減と共振チョークの小型化が可能になる。また、以上の構成より、位相シフト制御にしなくてもZVSを実現できるため、循環電流を流さずに済むようになり、スイッチ並びにトランスの一次巻線の損失を低減できる。さらに、循環電流のエネルギーでZVSさせないので、ZVS条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してZVSを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二のアーム21,22には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二のアーム21,22のスイッチは小さなものでよい。
With the above operation, as shown in FIG. 2, the current of the resonant choke is significantly reduced as compared with the case of the phase shift control shown in FIG. 3, so that loss can be reduced and the resonant choke can be downsized. Further, with the above configuration, ZVS can be realized without using phase shift control, so that it is not necessary to flow a circulating current, and the loss of the primary winding of the switch and the transformer can be reduced. Furthermore, since ZVS is not performed by the energy of the circulating current, the ZVS condition is not influenced by the load, and ZVS can be stably realized at full load or no load, and low noise is achieved even at no load. Since only the current for discharging the parasitic capacitance of the main circuit flows through the
続いて、ハーフブリッジ型のスイッチング電源装置の実施例を図4に示す。このスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスTで絶縁し、一次側に二つのスイッチ素子Q1,Q2を直列接続した第一のアーム11と、二つのコンデンサC11,C12を直列接続した直列回路31とを備え、第一のアーム11と直列回路31とを並列接続して、ハーフブリッジ回路を構成し、各々の直列回路11,31の中点をトランスTの一次巻線に接続してある。
Next, an embodiment of a half-bridge type switching power supply device is shown in FIG. In this switching power supply, a primary arm and a secondary are insulated by a transformer T, a
本実施例は以下の構成に特徴を有する。二つのスイッチ素子Q11,Q12を直列接続した第二のアーム21を備えてある。また、第二のアーム21は第一のアーム11と並列接続してあり、第一のアーム11の中点と第二のアーム21の中点との間に共振チョークL11を接続してある。
This embodiment is characterized by the following configuration. A
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一のアーム11に設けたハイサイドスイッチQ1がターンオンする直前に、第二のアーム21に設けたハイサイドスイッチQ11をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークL11に移動し、第二のアーム21に設けたハイサイドスイッチQ11がターンオフされたタイミングで第一のアーム11に設けたハイサイドスイッチQ1と、第二のアーム21に設けたローサイドスイッチQ12のボディダイオードを通して、入力コンデンサC1に回生される。これによりハイサイドスイッチQ1のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
The switching power supply device configured as described above operates as follows. Immediately before the high-side switch Q1 provided on the
また、第一のアーム11に設けたローサイドスイッチQ2がターンオンする直前に、第二のアーム21に設けたローサイドスイッチQ12をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークL11に移動し、第二のアーム21に設けたローサイドスイッチQ12がターンオフされたタイミングで、第一のアーム11に設けたローサイドスイッチQ2と、第二のアーム21に設けたハイサイドスイッチQ11のボディダイオードを通して、入力コンデンサC1に回生される。これによりローサイドスイッチQ2のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
Further, immediately before the low side switch Q2 provided in the
以上の作用より、前記実施例と同様に、共振チョークL11をトランスTの一次巻線に直列に挿入したときと比べて共振チョークL11の電流が大幅に減るため、損失の低減と共振チョークL11の小型化が可能になる。また、共振チョークL11に蓄えたエネルギーでZVSさせるわけではないので、ZVS条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してZVSを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二のアーム21には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二のアーム21のスイッチは小さなものでよい。
As a result of the above operation, the current of the resonance choke L11 is greatly reduced as compared with the case where the resonance choke L11 is inserted in series with the primary winding of the transformer T, as in the above embodiment. Miniaturization is possible. In addition, since the ZVS is not caused by the energy stored in the resonance choke L11, the ZVS condition is not influenced by the load, and the ZVS can be realized stably at full load or no load, and low noise is achieved even at no load. . Since only the current for discharging the parasitic capacitance of the main circuit flows through the
本発明はブリッジ型のスイッチング電源のみならず、その原型であるプッシュプル型のスイッチング電源装置でも適用可能である。プッシュプル型のスイッチング電源装置の実施例を図5に示す。このスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスTで絶縁し、入力電源に並列に、第一の一次巻線とスイッチ素子Q1の直列回路、および第二の一次巻線とスイッチ素子Q2の直列回路を接続してある。 The present invention can be applied not only to a bridge-type switching power supply but also to a push-pull type switching power supply apparatus that is the original form. An embodiment of the push-pull type switching power supply device is shown in FIG. In this switching power supply, the primary and secondary are insulated by a transformer T, and in parallel with the input power supply, a series circuit of a first primary winding and a switch element Q1, and a second primary winding and a switch element Q2 A series circuit is connected.
本実施例は以下の構成に特徴を有する。トランスTの一次巻線とそれぞれのスイッチ素子Q1,Q2とで二つの第一の直列回路13,14を構成し、これら第一の直列回路13,14とそれぞれ並列に整流素子D11,D12とスイッチ素子Q11,Q12とを直列接続した第二の直列回路23,24を接続してある。また、第一の直列回路13,14を構成するトランスTの一次巻線とスイッチ素子Q1,Q2との接続点と、第二の直列回路23,24を構成する整流素子D11,D12とスイッチ素子Q11,Q12との接続点との間に、それぞれ共振チョークL11,L12を接続してある。
This embodiment is characterized by the following configuration. The primary winding of the transformer T and the switch elements Q1 and Q2 form two
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一の直列回路13に設けたスイッチ素子Q1がターンオンする直前に、第二の直列回路23に設けたスイッチ素子Q11をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークL11に移動し、第二の直列回路23に設けたスイッチ素子Q11がターンオフされたタイミングで第一の直列回路13に設けたスイッチ素子Q1と、第二の直列回路23に設けた整流素子D11を通して、入力コンデンサC1に回生される。これによりスイッチ素子Q1のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
The switching power supply device configured as described above operates as follows. Immediately before the switch element Q1 provided in the
また、第一の直列回路14に設けたスイッチ素子Q2がターンオンする直前に、第二の直列回路24に設けたスイッチ素子Q12をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークL12に移動し、第二の直列回路24に設けたスイッチ素子Q12がターンオフされたタイミングで第一の直列回路14に設けたスイッチ素子Q2と、第二の直列回路24に設けた整流素子D12を通して、入力コンデンサC1に回生される。これによりスイッチ素子Q2のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
Also, immediately before the switch element Q2 provided in the
以上の作用より、全負荷でも無負荷でも安定してZVSを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二の直列回路23,24および共振チョークL11,12には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二の直列回路23,24のスイッチおよび共振チョークL11,12は小さなものでよい。
With the above operation, ZVS can be realized stably at full load or no load, and low noise can be achieved even at no load. Since only the current for discharging the parasitic capacitance of the main circuit flows through the
本発明はプッシュプル型のスイッチング電源で示すように、偶数個のスイッチ素子で構成するアームの代わりに整流素子とスイッチ素子とで直列回路を構成することが可能であるため、フォワード型のスイッチング電源装置やフライバック型のスイッチング電源装置でも適用可能である。フォワード型のスイッチング電源装置を図6にフライバック型のスイッチング電源装置を図7に示す。これらのスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスTで絶縁し、トランスTの一次巻線の一端に一方の入力端を接続し、他端にスイッチ素子Q1を直列に接続してある。スイッチ素子Q1の他端に他方の入力端を接続してある。 In the present invention, as shown by a push-pull type switching power supply, a series circuit can be configured by a rectifying element and a switch element instead of an arm configured by an even number of switching elements. The present invention can also be applied to a device or a flyback type switching power supply device. A forward type switching power supply is shown in FIG. 6, and a flyback type switching power supply is shown in FIG. In these switching power supplies, the primary and secondary are insulated by a transformer T, one input terminal is connected to one end of the primary winding of the transformer T, and the switch element Q1 is connected in series to the other end. The other input end is connected to the other end of the switch element Q1.
本実施例は以下の構成に特徴を有する。トランスTの一次巻線とスイッチ素子Q1とで第一の直列回路13を構成し、これら第一の直列回路13とそれぞれ並列に整流素子D11とスイッチ素子Q11とを直列接続した第二の直列回路23を接続してある。また、第一の直列回路13を構成するトランスTの一次巻線とスイッチ素子Q1との接続点と、第二の直列回路23を構成する整流素子D11とスイッチ素子Q11との接続点との間に、それぞれ共振チョークL11を接続してある。
This embodiment is characterized by the following configuration. A
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一の直列回路13に設けたスイッチ素子Q1がターンオンする直前に、第二の直列回路23に設けたスイッチ素子Q11をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークL11に移動し、第二の直列回路23に設けたスイッチ素子Q11がターンオフされたタイミングで第一の直列回路13に設けたスイッチ素子Q1と、第二の直列回路23に設けた整流素子D11を通して、入力コンデンサC1に回生される。これによりスイッチ素子Q1のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
The switching power supply device configured as described above operates as follows. Immediately before the switch element Q1 provided in the
以上の作用より、前記実施例と同様に、全負荷でも無負荷でも安定してZVSを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二の直列回路23および共振チョークL11には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二の直列回路23のスイッチおよび共振チョークL11は小さなものでよい。
As described above, as in the above-described embodiment, ZVS can be realized stably at full load or no load, and low noise is achieved even at no load. Since only the current for discharging the parasitic capacitance of the main circuit flows through the
本発明によれば、第一の直列回路と並列に第二の直列回路を各々接続し、前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点の間に各々共振チョークを接続してあることにより、共振チョークの電流が大幅に減るため、損失の低減と共振チョークの小型化が可能になる。 According to the present invention, each of the second series circuits is connected in parallel with the first series circuit, and each resonance choke is provided between the midpoint of the first series circuit and the midpoint of the second series circuit. By being connected, the current of the resonant choke is greatly reduced, so that loss can be reduced and the resonant choke can be downsized.
また、前記構成より、位相シフト制御にしなくてもZVSを実現できるため、循環電流を流さずに済むようになり、スイッチ並びにトランスの一次巻線の損失を低減できる。さらに、循環電流のエネルギーでZVSさせないので、ZVS条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してZVSを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。 Further, according to the above configuration, ZVS can be realized without using phase shift control, so that it is not necessary to flow a circulating current, and the loss of the primary winding of the switch and the transformer can be reduced. Furthermore, since ZVS is not performed by the energy of the circulating current, the ZVS condition is not influenced by the load, and ZVS can be stably realized at full load or no load, and low noise is achieved even at no load.
11,12 第一のアーム
21,22 第二のアーム
13,14 第一のアーム
23,24 第二のアーム
31 直列回路
Q1〜Q4,Q11〜Q14 スイッチ素子
L1 出力チョーク
L2,L11,L12 共振チョーク
C2 出力コンデンサ
T トランス
D1,D2,D11,D12 整流回路
11, 12
T transformer
D1, D2, D11, D12 Rectifier circuit
Claims (5)
前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点との間に共振チョークを接続してあることを特徴とするスイッチング電源装置。 One or more first series circuits with an even number of switching elements connected in series on the primary side are isolated by a transformer between the primary and secondary, and the midpoint of the series circuit is connected to the primary winding of the transformer In the switching power supply device, the second series circuit having an even number of switch elements connected in series is connected in parallel with the first series circuit,
A switching power supply device comprising a resonance choke connected between a midpoint of the first series circuit and a midpoint of the second series circuit.
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