KR101534185B1 - 펄스폭 변조 신호 전송용 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 자동차용 전자 모듈에 관한 것으로, 특히 신호선을 통하여 전송되는 신호, 특히 펄스폭 변조 신호를 위하여 제어 입력을 갖는 팬 조절장치를 구비한 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치에 관한 것이다. 이 장치는 상기 제어 입력에 본질적인 정전위 전압을 발생시키기 위한 것으로, 특히 전류-제어되는 저 저항 제어 입력으로 이루어진다. 본 발명은 또한 상기 신호 발생용 제어 장치, 상기 신호의 전송을 위한 신호선, 및 상술한 바의 팬 레귤레이터로 이루어지는 바람직하기로는 펄스폭 변조 신호를 전송하기 위한 장치에 관한 것이다.
자동차, 전자 모듈, 팬 레귤레이터, 장치, 신호전송

Description

펄스폭 변조 신호 전송용 장치{Arrangement for transmission of pulse width modulated signal}
본 발명은 자동차용 전자 모듈에 관한 것으로, 특히 신호선(signal line)으로 전송되는 신호, 특히 펄스폭 변조 신호에 대한 신호 입력을 갖는, 팬 레귤레이터(fan regulator)를 구비하여 펄스폭 변조 신호의 수신을 위한 전자 모듈을 갖는 펄스폭 변조 신호 전송용 장치에 관한 것이다.
송신기로서의 제어 장치로부터 실례를 들면 팬 레귤레이터 상에 수신기로서의 피제어 전자 모듈까지 아날로그 제어량(analogue control quantities; 아날로그 제어 신호)을 전송하기 위하여, 펄스폭 변조 신호는 송신기와 수신기 사이에서 접지 오프셋 전압의 영향을 받지 않으므로, 종종 반송 신호(carrier signal)로서 자동차에 사용된다.
도 3은, 종래 기술로부터 주지된 바와 같이, 이러한 신호의 전송을 위한 장치(1)의 블록도이다. 예를 들면 공조기의 제어를 위하여 전송기로서의 제어 장치(2)로부터 00제 1 DC 전압(UDC1)이 신호선(3)을 통하여 수신기로서의 팬 레귤레이터(4)의 제어 입력(S)에 전송되며, 이 제어 입력은 팬 모터의 제어를 위하여 제 2 DC 전압(UDC2)을 사용하는데, 이상적인 전송의 경우 상기 제 2 DC 전압(UDC2)은 상기 제 1 DC 전압(UDC1)과 동일하다. 제 1 DC 전압(UDC1)은 제어 장치(2)의 DC/PWM-컨버터(5) 내에서 펄스폭 변조(PWM) 신호로 전환되며, 이는 제 1 저항(R1)을 통하여 양극성(bipolar) 트랜지스터(Q1)에 공급된다. PWM 신호는 또한 마이크로컨트롤러(도시 생략)로부터 직접 발생될 수도 있다.
펄스폭 변조 신호는 스위치로서 작동하는 트랜지스터(Q1)의 베이스 전류를 제어하는 역할을 하며, 펄스폭 변조 신호의 펄스-휴지 비율(pulse-pause rate)에 따라 스위치-온/오프 된다. 트랜지스터(Q1)는 소위 오픈 콜렉터 모드, 즉, 공통 에미터 회로 모드로 작동하며, 제 2 저항(R2)은 제어장치(2)에서는 아니지만 팬 레귤레이터(4)에서는 콜렉터 저항으로서 배열된다. 이렇게 오픈 콜렉터 단을 갖는 제어장치는 단순하게 저가로 실용화될 수 있기 때문에 매우 빈번하게 사용 된다.
이미 언급한 바와 같이, 팬 레귤레이터(4)는 풀-업 저항으로서 콜렉터 저항 또는 제 2 저항(R2)에서의 전압을 위한 임피던스 컨버터(전압 폴로워: voltage follower)로서 작동하며, 저역 필터를 갖는 PWM/DC-컨버터(6)를 구동하는 차동 증폭기(OP)를 포함한다. PWM/DC-컨버터(6)는 수신된 펄스폭 변조 신호를 제 2 DC 전압(UDC2)로 재 변환한다. 팬 레귤레이터(4)에는 주로 12V의 일정한 공급 전압(Ub)을 발생시키도록 전압전원(7)이 설치된다.
비용 부담이 매우 큰 자동차 부문에서, 신호선(3)은 통상 스크린(screen: 차폐)되지 않는다. 스크린 되지 않은 신호선(3)은 펄스폭 변조 신호의 스위칭 플랭크(switching flanks; 스위칭 절환신호)를 전송하게 되고, 이 때문에 신호선(3) 주위의 전기장 강도가 각 스위칭 플랭크에 의하여 급격하게 변경되며, dU/dt 의 외란(장애)를 일으키게 되어 장치(1)의 전자기 호환성을 감소시킬 수 있다. 이는 신호선(3) 근처에 배열되는 모듈 상에 장애를 유발하게 된다; 신호선(3)은 자동차에서 차지하는 부피가 작아야 하므로 이들 모듈들이 없는 곳에서 관리 되어야 한다. 플랭크의 상승률을 제한하기 위하여, 캐패시턴스(CEMV)를 갖는 캐패시터(8)가 마련되어 신호선(3)에 의하여 유발되는 간섭을 억제한다. 간섭 억제 캐패시턴스(CEMV)는 신호선(3) 상의 전압 변동율(dU/dt)을 제한하며, 신호선(3)으로부터 방출되는 과도 전기장(transient electric fields)의 강도를 감소시킨다. 예를 들면, 캐패시터(8)는 신호선(3)의 중앙에 마련되지만, 제어 장치(2) 또는 팬 레귤레이터(4)에 집적될 수도 있다.
캐패시터(8)는 제 2 저항(R2)을 통하여 충전되는 속도보다 트랜지스터(Q1)를 통하여 방전되는 속도가 더 빠르기 때문에, 그 결과 신호선(3)에서 신호 플랭크의 비대칭 왜곡을 초래한다. 신호선(3)은 펄스 듀티 팩터(pulse duty factor)를 변경시키며, 따라서 펄스폭 변조 신호의 정보 내용을 변경시킨다. 이 현상은, 실제에서 항상 요구되는 바와 같이 제 2 DC 전압(UDC2)이 제 1 DC 전압(UDC1)과 동일하게 되는 경우 우려되는 일이다. 이러한 문제는 펄스폭 변조 신호에 대하여 비교적 낮은 주파수(예를 들면, 35Hz)를 선택함으로써 처리된다. 펄스폭 변조 신호의 주기 기간이 플랭크의 상승률에 비하여 클 경우, 이러한 오차는 작아진다.
그러나, 펄스폭 변조 신호용 낮은 주파수는 PWM/DC-컨버터(6) 내 저역 필터에 대하여 큰 적분 시간 상수를 요하며, 그러므로 팬 레귤레이터(4)는 수신기로서 비교적 느리게 작동한다. 고품질 및 낮은 고장율과 함께 신뢰성 있는 제품 테스트 또한 요구되는 자동차 산업에서, 이러한 팬 레귤레이터(4)는 느린 작동으로 그 자체가 문제가 되는데, 불가피하게 긴 테스트 시간 및 높은 테스트 비용을 초래하게 된다. 따라서, 제조 공정 말기에 여러 기능들이 테스트되며 각각의 측정 이전에 팬 레귤레이터(4)의 작업 시점이 안정화되기까지 대기시간이 필요하게 된다. 큰 적분 시간 상수를 갖는 PWM/DC-컨버터(6)의 경우, 이는 긴 테스트 시간 및 높은 테스트 비용으로 이어진다.
본 발명의 목적은 결과에서도 신호전송의 열화 없이 신호선을 따라 발생하는 과도 전기장이 감소되게 한 전자 모듈을 구비하고 서문에서 설명한 유형의 바람직하기로는 펄스폭 변조 신호를 전송하기 위한 장치를 제공하는 것에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 이러한 목적은 제어 입력에 본질적인 정전위를 발생하기 위하여 고안된 전자 모듈에 의하여 달성된다. 본 발명에 의하면, 신호선으로 전압 신호 대신 전류 신호를 전송하는 것이 제안된다. 이를 위하여 전자 모듈의 입력은 정전위로 설정되고, 또한 신호선을 따라 존재하도록 하여, 신호 전압에서 임의의 dU/dt 변동이 신호선을 따라 더 이상 발생되지 않도록 한다. 이러한 방식으로 EMC를 개선하고자 캐패시터를 제공하던 것을 피할 수 있고, 그러므로 더 높은 주기율(cycle rate)을 갖는 신호를 오차 없이 전송할 수 있게 된다.
바람직한 일 실시예에서, 제어 입력은 전류-제어되는 바람직하기로는 100 Ω 이하, 특히 10 mΩ 이하의 입력 저항을 갖는 저 저항 입력으로 된다. 이와 반대로 종래 기술에서는, 도 3에 설명된 바와 같이, 제어 입력이 높은 저항의 전압-제어되는 입력으로 설계된다. 저 저항 제어 입력에 의하여, 전류 신호는 팬 레귤레이터 내에 공급되며 그에 설치된 저항에서 전압으로 변환될 수 있다.
더욱 바람직한 일 실시예에서, 제어 입력에서 정전위의 발생을 위하여 전압 발생 유니트가 설치된다. 이러한 목적을 위한 전압 발생 유니트는 공급 전압의 일부를 분기할 수 있으며, 이 분기전압은 대체로 공급 전압보다 훨씬 작으며 공급 전압의 대략 1/10에 해당하는 양으로 된다.
바람직한 일 실시예에서, 전자 모듈은 1개의 출력 및 2개의 입력을 갖는 차동 증폭기를 포함하며, 차동증폭기의 제 1 입력은 제어 입력에 연결되며 제 2 입력은 정전위를 갖는데, 여기서 차동 증폭기는 제 1 입력 및 출력 사이에 저항을 갖는 전류-전압 컨버터로 이루어진다. 이 경우, 저 저항의 전류-제어되는 입력은 전류-전압 컨버터 상에 형성된다. 이는 항상 입력 모두에 동일한 전위가 존재하도록 출력을 제어한다. 그러므로, 제 2 입력에 존재하는 정전위는 제 1 입력에도 존재하여, 제어 입력 및 이를 갖는 신호선은 정전위로 된다. 동시에 신호선의 전류 신호는 저항에서 이 저항의 크기만큼 증폭되는 전압 신호로 변환된다.
특히 바람직한 또 다른 일 실시예에서, 전자 모듈은 공통 베이스 회로에서 작동하는 트랜지스터를 포함하는데, 그의 베이스는 정전위를 가지며 그의 에미터는 제어 입력에 연결된다. 이 경우 전류-제어되는 저 저항 입력이 실행되는데, 여기에서 정전위가 트랜지스터의 베이스에 인가되고, 베이스-에미터 전위에 의하여 감소되어 제어 입력에 인가된다. 전자 모듈 내의 트랜지스터는 제어 장치에서 오픈 콜렉터 모드로 작동하는 트랜지스터와 함께 캐스코드(cascode) 회로 구조를 형성하며, 아는 신호선이 공통 에미터 회로 구조에서 캐스코드 회로의 제 1 단을 공통 베이스 회로에서 캐스코드 회로의 제 2 단에 연결된다는 특징을 가진다. 제 1 단의 콜렉터 부하는 공통 베이스 회로에서 제 2 단의 낮은 입력 저항에 의하여 형성된다. 이 실시예에 의하면 전자 모듈은 전체적으로 개별(이산) 부품들로 구성되므로 집적회로(ICs)가 불필요하게 될 수 있다는 장점이 있는데, 집적 회로는 자동차에서 온도 안정성을 갖는 부품 상에 위치되어야 한다는 필요조건으로 인하여 높은 비용에 연계되는 것이다. 1개 대신 또는 2개의 양극성(bipolar) 트랜지스터(FETs)를 사용할 수도 있으나 그 결과 회로 비용이 전반적으로 증가된다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 전자 모듈은 펄스폭 변조 신호를 DC 전압으로 변환하기 위하여 PWM/DC-컨버터를 갖는다. 이에 의하여 발생되는 DC 전압은 예를 들면 팬 모터의 조절을 위한, 예를 들면 팬 모터의 양단에 전압 강하를 위한 목표치로 사용될 수 있다.
또한 본 발명은 신호의 발생을 위한 제어 장치, 신호의 전송을 위한 신호선, 및 신호를 수신하기 위한 상술한 바와 같은 전자 모듈을 갖는 바람직하기로는 펄스폭 변조 신호를 전송하기 위한 장치로써 달성된다. 이러한 장치는 전류 신호의 전송을 위하여 설계된 것으로, 가능한 한 신호선 상에서 전압의 급격한 변동이 발생되는 것을 피하고 따라서 장치의 EM 호환성을 증가시킬 수 있다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 제어 장치는 오픈 콜렉터 모드에서, 바람직하기로는 공통 에미터 회로에서 신호를 발생하기 위하여 작동하는 트랜지스터를 갖는다. 트랜지스터는 스위치로서 작동하는데, 이는 스위칭 신호, 주로 펄스폭 변조 신호의 기능으로서 신호선에 전류를 스위치-온/오프 한다. 공통 에미터 회로에서의 작동은 에미터 회로에 구성되는 저항이 전류 싱크(current sink)로 작용하게 되고 따라서 그의 전류 드레인이 매우 정확하게 결정된다는 장점이 있다.
더욱 바람직한 일 실시예에서, 상기 제어 장치는 DC 전압을 펄스폭 변조 신호로 변환하기 위한 컨버터 유니트를 더욱 포함한다. 펄스폭 변조 신호는 또한 마이크로컨트롤러 내에서 직접 발생될 수도 있다.
도 1에는 제어 장치(2') 및 팬 레귤레이터(4') 사이의 펄스폭 변조 신호 전송을 위한 장치(1')가 도시되며, 장치(1')는 송신기 측에 있어 제 1 저항(R1)이 제 1 트랜지스터(Q1)의 에미터 전류 회로에 배열되어 공통 에미터 회로 모드에서 작동한다는 점에서 제 1 실례로써 도 3에 관련하여 설명한 장치(1)과는 상이하다. 콜렉터 회로의 팬 레귤레이터(4')에서 정전위(Ubias)는 전류-전압 컨버터로서 작동하는 차동 증폭기(OP)의 제 1 입력(9a)에서 팬 레귤레이터(4') 내 신호선(3)의 반대 단부에서 발생된다. 팬 레귤레이터(4') 내에 정전위(Ubias)를 발생시키기 위하여, 전압 발생 유니트(10)가 마련되며, 이는 차동 증폭기(OP)의 제 2 입력(9b)에 연결된다. 차동 증폭기(OP)는 정전위(Ubias)가 제 1 입력(9a)에도 존재하도록 그의 출력(11)에서 전압을 제어한다. 제 1 입력(9a) 및 출력(11)에 연결되는 제 2 저항(R2)에 의하여, 팬 레귤레이터(4')의 저 저항 입력이 이루어지며 동시에 신호선(3)을 통하여 전송되는 전류 신호가 제 2 저항(R2)의 크기만큼 증폭되는 전압 신호로 변환된다. 이렇게 전류 신호로부터 발생되는 전압은 차동 증폭기(OP)의 출력(11)에서 PWM/DC-컨버터(6)에 공급된다.
따라서, 도 1에 도시된 장치(1')에서는, 도 3에서와는 달리, 전압 신호 대신 전류 신호가 신호선(3)을 통하여 전송되므로, 신호선(3)에는 급격한 전압 변동이 전혀 발생되지 않으며, 따라서 어떠한 과도 전기장도 발생될 수 없고, 그 결과 장치(1'), 즉, 신호선(3)의 전자기 호환성이 증가된다. 전류 신호의 전송은 전류-제어되는 저 저항 제어 입력(S)을 팬 레귤레이터(4')에 설치함으로써 가능해진다. 제어 입력(S)의 입력 저항(RE)은 mΩ 범위로 될 수 있고,
Figure 112014116838556-pat00001
로 주어진다.
여기서, AOL는 차동 증폭기(OP)의 루프 증폭을 나타낸다. 예를 들면, 제 2 저항(R2)은 1 kΩ의 크기를 가질 수 있고, 루프 증폭(AOL)은 대략 105로 될 수 있으며, 그 결과 10 mΩ의 입력 저항(RE)이 확보된다.
도 2는 신호 전송을 위한 장치(1")의 팬 레귤레이터(4") 상에 전류-제어 저 저항 제어 입력(S)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 1에 도시된 장치(1')에 상응하는 장치(1")의 송신기 측에서, 팬 레귤레이터(4")에서 차동 증폭기(OP)는 제 2 트랜지스터(Q2)로 대체된다. 제 2 트랜지스터(Q2)는 공통 베이스 회로 모드로 작동하며, 그의 베이스는 전압 발생 유니트(10)에 연결되므로, 정전위(Ubias)가 베이스에 존재하도록 한다. 그러므로, 본질적으로 정전위는 제 2 트랜지스터(Q2)의 에미터 상에 존재하게 되며, 베이스-에미터 전압(UBE)의 크기만큼 감소된다. 이에 의하여 제어 장치(2')의 제 1 트랜지스터(Q1) 및 팬 레귤레이터(4")의 제 2 트랜지스터(Q2)는 캐스코드 회로 구조를 형성하며, 그의 2개단이 신호선(3)에 연결된다. 제 2 트랜지스터(Q2)의 에미터 상에는, 전류 신호의 전송을 위한 요구조건으로 되는, 저 저항의 전류-제어되는 제어 입력(S)이 형성된다. 도 1에 도시된 팬 레귤레이터(4')와는 반대로, 도 2의 팬 레귤레이터(4")는 적은 수의 개별(이산) 부품으로 구성될 수 있으므로, 특히 비용 절감을 위한 해결책이 된다.
제 2 DC 전압(UDC2)의 기능으로서 팬 모터의 조절에 사용되는 팬 레귤레이터(4'),(4")의 부품은 종래 기술로부터 주지되어 있으므로 도 1 및 도 2에서는 상세히 도시하지 않는다. 특히, 팬 레귤레이터(4'),(4")의 기타 요소는, 예를 들면, 본 출원인의 독일 특허 출원 공개 공보 제 DE 10 2004 018 169 A1 호에 설명된 바와 같은 아날로그 제어 회로로 실행될 수 있고, 또는 디지털 제어 회로로 구성될 수도 있으며, 디지털 제어 회로에서는 통상 펄스폭 변조되지 않은 이진 신호가 상기 신호선을 통하여 전송된다.
상술된 바의 예 모두에서 신호선(3)은 어떠한 과도 전기장을 발생하지 않으며, 따라서 장치(1'),(1")의 전자기 호환성을 증가시킨다. 더욱이 신호선 상에 간섭 억압 캐패시터를 사용할 필요가 없게 되어, 고주파 펄스폭 변조 신호로도 신호 플랭크를 높은 정확도로 전송할 수 있게 된다. 그러므로, PWM/DC-컨버터는 팬 레귤레이터(4'),(4")에서 더 작은 시간 상수 및 더 짧은 테스트 시간으로 작동될 수 있고, 따라서 팬 레귤레이터(4'),(4")의 테스트 비용이 감소된다. 또한, 제어 장치(2')의 회로의 적절한 치수화는 제 1 트랜지스터(Q1) 상의 콜렉터-베이스 전압이 음극화 되는 것-도 3의 제어 장치(2)에서 스위칭 제 1 트랜지스터(Q1)에서는 일반적임-을 방지할 수 있으므로, 제어 장치(2')에서 제 1 트랜지스터(Q1)는 항상 정상 작동 모드로 작동되고, 따라서 지연이 줄어든다.
신호 전송에 대한 상술한 바의 개념은 펄스폭 변조 신호뿐만 아니라 급격한 신호 플랭크가 발생되는 기타 신호로도 실행될 수 있고, 팬 레귤레이터가 이진 신호의 처리를 위하여 설계된 경우라면 특히 이진 신호 전송에 대해서도 실행될 수 있다. 마찬가지로 이러한 개념은, 전자기 호환성을 증가시키기 위하여, 팬 레귤레이터 뿐만 아니라 신호선을 통하여 제어 신호를 공급하는 기타의 전자 모듈에도 유익하게 도입할 수 있다.
본 발명에 의한 전자 모듈 및 장치에 대한 실시예들은 개략도에 나타낸 바와 같으며 다음의 설명으로부터 명백해진다. 도면 중:
도 1은 정전압을 위한 전류-전압 컨버터를 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 신호 전송용 장치를 나타내는 다이어그램,
도 2는 정전압의 발생을 위하여 캐스코드 회로를 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 장치, 및
도 3은 종래 기술에 의한 신호 전송용 회로 구성을 나타내는 회로도이다.

Claims (10)

  1. 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치(1', 1")에 있어서,
    펄스폭 변조 신호를 발생시키는 제어 장치(2'),
    전류 신호로써 펄스폭 변조 신호를 전송하는 신호선(3),
    펄스폭 변조 신호를 수신하는 피제어 전류 제어입력(S)를 구비하여 피제어 전류 제어 입력(S)에서 정전위(Ubias, Ubias - UBE)를 발생하는 팬 레귤레이터(4', 4")들로 구성한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 입력(S)이 100 Ω 이하의 입력 저항을 갖는 전류-제어되는 저 저항 입력으로 구체화되게 한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 팬 레귤레이터(4', 4")가 전압 발생 유니트(10)를 더 구비하며, 상기 전압 발생 유니트(10)가 상기 제어 입력(S)에서 상기 정전위(Ubias)를 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 팬 레귤레이터(4')가 1개의 출력(11) 및 2개의 입력(9a, 9b)을 갖는 차동 증폭기(OP)를 더 구비하며, 상기 2개의 입력 중 제 1 입력은 상기 제어 입력(S)에 연결되고, 제 2 입력은 정전위(Ubias)를 가지며, 상기 차등 증폭기(OP)는 상기 제 1 입력(9a) 및 상기 출력(11) 사이에 제 2 저항(R2)을 갖는 전류-전압 컨버터로서 구성한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 팬 레귤레이터(4")가 공통 베이스 회로 내에서 작동하는 트랜지스터(Q2)를 더 구비하며, 그 베이스는 정전위(Ubias)를 가지며 그 에미터는 상기 제어 입력(S)에 연결됨을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 팬 레귤레이터(4')가 상기 펄스폭 변조 신호를 DC 전압(UDC2)으로 변환하기 위한 PWM/DC-컨버터(6)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  7. 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치(1', 1")에 있어서,
    펄스폭 변조 신호 발생을 위한 제어 장치(2'),
    상기 펄스폭 변조 신호의 전송을 위한 신호선(3)과
    상기 펄스폭 변조 신호를 수신하는 팬 레귤레이터(4', 4'')로 이루어지게 한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어 장치(2')가 상기 신호의 발생을 위하여 오픈 콜렉터 모드로 공통 에미터 회로에서 작동되는 트랜지스터(Q1)로 이루어짐을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제어 장치(2')가 DC 전압(UDC1)을 상기 펄스폭 변조 신호로 변환하기 위한 PWM/DC-컨버터(6)로 이루어짐을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 입력(S)이 10 mΩ 이하의 입력 저항을 갖는 전류-제어되는 저 저항 입력으로 구체화되게 한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조 신호의 전송용 장치.
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