KR200195474Y1 - 고주파 형광등용 전자식 안정기 - Google Patents

고주파 형광등용 전자식 안정기 Download PDF

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Abstract

본 고안은 형광등용 전자식 안정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 승압회로를 사용하지 않고 단일조명에 고주파를 출력하는 고주파 형광등용 전자식 안정기에 관한 것이다.
본 고안의 목적은 전자식 안정기에 별도의 승압회로를 사용하지 않고 전력손실을 극소화하고, 부품 수를 줄여 원가를 절감하며, 제품의 소형화로 공간활용을 용이하게 하며, 점등시 깜박거림을 없애며 형광등의 필라멘트에 흐르는 전류를 극소화하여 형광등의 수명을 연장시킬 수 있는 고주파 형광등용 전자식 안정기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 구성은, 상용 교류전원을 입력받아 동작하는 형광등용 전자식 안정기에 있어서, 상기 입력전원의 스위칭에 의한 충격전류를 완충시키는 완충부와, 상기 입력전원과 역기전력으로부터 유입될 수 있는 노이즈를 제거하는 필터부와, 상기 필터부의 전원을 공급받아 교류전원을 직류전원으로 변화하는 정류부와, 상기 정류부에서 공급되는 교류성분의 맥류를 포함한 전원을 직류로 변환하는 평활부와, 상기 직류전원을 빠른 속도로 트리거하고 짧은 트리거 펄스가 자려 발진자를 통해 고주파로 변환시키는 발진부와, 상기 발진부의 고주파 출력전압을 70~100와트형 형광등의 방전을 개시하는 방전개시전압까지는 높은 임피던스를 유지하고 상기 방전개시전압 후에 낮은 임피던스가 되는 공진부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는 본 고안의 상기 발진부는, 상기 평활부의 출력전원의 중점전원을 인가하는 제1저항과 제1다이오드와, 상기 평활부의 출력전원을 직렬 연결된 제2저항과 제1콘덴서에 병렬 연결된 다이악을 통해 시작신호를 인가 받는 제1모스트랜지스터와, 상기 제1모스트랜지스터의 도통으로 기전력을 유기하는 제1리액터와, 상기 제1리액터의 일측출력단과 병렬 연결된 제2다이오드와 제1제너다이오드를 통해 기전력의 전류를 제한하는 제3저항과, 상기 제3저항을 통한 전류로 도통되는 제2모스트랜지스터와, 상기 제1리액터의 타측출력단과 병렬 연결된 제3다이오드와 제2제너다이오드를 통해 기전력의 전류를 제한하는 제4저항으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는 본 고안의 상기 공진부는, 상기 발진부의 제1리액터와 직렬로 연결된 제2리액터와, 상기 형광등의 일측단에 연결되고 상기 발진부의 고주파출력단과 병렬로 연결된 제2콘덴서/제3콘덴서와 제4다이오드/제5다이오드와, 상기 제2콘덴서/제3콘덴서와 상기 제4다이오드/제5다이오드의 연결점과 상기 형광등의 타측단에 연결되며 상기 형광등의 일측필라멘트와 타측필라멘트에 연결되는 제4콘덴서로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고주파 형광등용 전자식 안정기{A high frequency electronic ballast for fluorescent lamp}
본 고안은 형광등용 전자식 안정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 승압회로를 사용하지 않고 단일조명에 고주파를 출력하는 고주파 형광등용 전자식 안정기에 관한 것이다.
전자식 안정기는 상용전원주파수인 60Hz를 고주파 변환회로를 사용하여 20 ~ 50kHz의 고주파로 변환하여 램프의 전원으로 사용하는 안정기를 말한다. 상기 안정기는 형광램프에 초기 시동전압을 공급하여 램프의 방전을 용이하게 하므로 램프를 점등시키는 시동장치의 역할을 한다.
형광램프는 램프의 전압-전류가 부의특성을 가지고 있으므로 초기 램프가 점등하면 전압이 지속적으로 감소하면서 전류가 상승하여 결국 램프가 파괴된다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 안정기가 필요하며, 점등 후 안정기는 램프에 일정한 전압을 공급하여 전류를 제한하는 역할을 한다. 따라서 안정기는 형광램프에 일정한 전압을 계속적으로 공급하여 램프의 방전을 단속하므로 램프의 점등을 지속적으로 유지시켜주는 역할을 한다.
상기 전자식 안정기는 1980년대 초기의 고주파 점등 방식으로는 고주파 인버터의 발진방식으로 자려식 방식을 주로 이용하였는데, 이것은 인덕터와 커패시턴스로 구성된 직렬 공진 (Series Resonance)회로를 이용하는 방법이 그 주류를 이루어 상품화하여 보급되어왔다. 이방법의 장점으로는 설계상의 용이 점과 주파수의 변환이 쉽게 이루어지고 효율이 매우 높은 특징이 있어 오늘날까지도 전자식 안정기의 주된 회로로 가장 많이 채용되어오고 있으며 국내에서 상품화가 가장 많이 된 구동 방식중의 하나이다.
일반적으로 10W(watt)에서 40W까지의 저전력 형광등은 220V(voltage)를 정류/평활하여 약 300V의 직류전압을 직접 발진회로에 공급하여 형광등을 점등하여 40W형 형광등을 점등하였었다.
그러나, 주거공간의 대형화 추세로 인해 70W 이상의 더욱 더 밝은 조명이 요구되어 복수의 형광등 즉, 40W와 30W 또는 36W와 36W의 2개의 형광등에 적합한 안정기를 별도로 설치하여 사용하였다.
그러나, 상기와 같이 개개의 형광등에 적합한 안정기를 복수로 사용하므로 전력효율이 떨어지고 제작비용의 상승으로 소비자의 비용부담이 상승하였다.
그래서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 단일조명의 70W형 형광등이 개발되었는데 상기 70W형 형광등은 종래의 40W형 형광등보다 전극과 전극간의 거리가 멀기 때문에 극간 전압을 400V 이상으로 하여야하기 때문에 입력전압을 1차 승압하는 초퍼(chopper)회로를 사용하였다.
그러나, 상기 1차의 승압하는 초퍼회로 때문에 전력효율의 저하 및 부품수의 증가로 원가상승의 요인과 제품의 대형화로 인한 공간활용이 제한되고 상기 형광등의 스위치를 턴-온(turn-on)하였을 때 초퍼회로의 지연으로 인하여 형광등의 점등시 초기에 깜박거림이 발생하여 형광등의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 고안은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 전자식 안정기에 별도의 승압회로를 사용하지 않고 전력손실을 극소화하고, 부품 수를 줄여 원가를 절감하며, 제품의 소형화로 공간활용을 용이하게 하며, 점등시 깜박거림을 없애며 형광등의 필라멘트에 흐르는 전류를 극소화하여 형광등의 수명을 연장시킬 수 있는 고주파 형광등용 전자식 안정기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 구성은, 상용 교류전원을 입력받아 동작하는 형광등용 전자식 안정기에 있어서, 상기 입력전원의 스위칭에 의한 충격전류를 완충시키는 완충부와, 상기 입력전원과 역기전력으로부터 유입될 수 있는 노이즈를 제거하는 필터부와, 상기 필터부의 전원을 공급받아 교류전원을 직류전원으로 변화하는 정류부와, 상기 정류부에서 공급되는 교류성분의 맥류를 포함한 전원을 직류로 변환하는 평활부와, 상기 직류전원을 빠른 속도로 트리거하고 짧은 트리거 펄스가 자려 발진자를 통해 고주파로 변환시키는 발진부와, 상기 발진부의 고주파 출력전압을 70~100와트형 형광등의 방전을 개시하는 방전개시전압까지는 높은 임피던스를 유지하고 상기 방전개시전압 후에 낮은 임피던스가 되는 공진부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는 본 고안의 상기 발진부는, 상기 평활부의 출력전원의 중점전원을 인가하는 제1저항과 제1다이오드와, 상기 평활부의 출력전원을 직렬 연결된 제2저항과 제1콘덴서에 병렬 연결된 다이악을 통해 시작신호를 인가 받는 제1모스트랜지스터와, 상기 제1모스트랜지스터의 도통으로 기전력을 유기하는 제1리액터와, 상기 제1리액터의 일측출력단과 병렬 연결된 제2다이오드와 제1제너다이오드를 통해 기전력의 전류를 제한하는 제3저항과, 상기 제3저항을 통한 전류로 도통되는 제2모스트랜지스터와, 상기 제1리액터의 타측출력단과 병렬 연결된 제3다이오드와 제2제너다이오드를 통해 기전력의 전류를 제한하는 제4저항으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는 본 고안의 상기 공진부는, 상기 발진부의 제1리액터와 직렬로 연결된 제2리액터와, 상기 형광등의 일측단에 연결되고 상기 발진부의 고주파출력단과 병렬로 연결된 제2콘덴서/제3콘덴서와 제4다이오드/제5다이오드와, 상기 제2콘덴서/제3콘덴서와 상기 제4다이오드/제5다이오드의 연결점과 상기 형광등의 타측단에 연결되며 상기 형광등의 일측필라멘트와 타측필라멘트에 연결되는 제4콘덴서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
도1은 본 고안에 따른 고주파 형광등용 전자식 안정기의 개략적인 블록도이고,
도2는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 형광등용 전자식 안정기의 회로도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 완충부 20: 필터부
30: 정류부 40: 평활부
50: 발진부 60: 공진부
70: 형광등
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 고주파 형광등용 전자식 안정기에 대해 상세히 설명한다.
도1은 본 고안에 따른 고주파 형광등용 전자식 안정기의 개략적인 블록도이고, 도2는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 형광등용 전자식 안정기의 회로도이다.
도1 내지 도2를 참조하면, 입력전원(11)의 스위칭에 의한 충격전류를 완충시키는 완충부(10)와, 상기 입력전원(11)으로부터 유입될 수 있는 노이즈(noise)를 제거하며 후술하는 발진부(50)에서 역류할 수 있는 고주파성분의 노이즈를 제거하여 양질의 전원을 공급하는 필터부(20)와, 상기 필터부(20)의 전원을 공급받아 교류전원을 직류전원으로 변화하는 정류부(30)와, 상기 정류부(30)에서 공급되는 교류성분의 맥류를 포함한 전원을 양질의 직류로 변환하는 평활부(40)와, 상기 직류전원을 빠른 속도로 트리거(trigger)하고 짧은 트리거 펄스가 자려 발진자(self-oscillator)를 통해 고주파로 변환시키는 발진부(50)와, 상기 발진부(50)의 고주파 출력전압을 형광등의 방전을 개시하는 방전개시전압(breakdown voltage)까지는 높은 임피던스(impedance)를 유지하고 상기 방전개시전압 후에 낮은 임피던스가 되는 공진부(60)와, 상기 공진부(60)의 공진효과에 의해 승압된 전압으로 대량의 이온화가 되어 방전을 개시하는 형광등(70)으로 구성된다.
상기 완충부(10)는 입력전원(11)으로 220V 60Hz의 상용전원을 퓨즈(F1)를 통해 인가 받아 과전압보호소자(TNR1)와 병렬 연결되고, 상기 입력전원(11)과 직렬 연결되는 서미스터(TH1)로 구성된다.
상기 완충부(10)의 서미스터(TH1)는 처음 대기 온도상태에서는 저항 값이 최대이며 전류가 흐르면 열을 발생하여 저항이 감소하는 특성을 이용하여 스위치를 턴온(turn-on)할 때 발생하는 충격전류를 저항값에 의하여 완충하며, 낙뢰나 충격전압이 인입될 때 2차측 회로를 과전압보호소자(TNR1)에 의해 보호한다.
상기 필터부(20)는 상기 완충부(10)의 출력전원과 직렬 연결되는 코일(L1)과 상기 코일(L1)에 병렬연결된 콘덴서(C1)와 직렬로 구성된 콘덴서 C2, C3가 상기 상기 콘덴서 C1과 병렬로 구성된다.
따라서 상기 필터부(20)는 상용전원인 입력전원(11)으로부터 유입될 수 있는 노이즈(noise)를 제거하며, 상기 발진부(50)부로부터 역류할 수 있는 노이즈를 제거하게 된다.
상기 정류부(30)는 공지기술과 동일한 브릿지다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성되어 교류 입력전원을 직류 출력전원으로 변환한다.
상기 평활부(40)는 상기 정류부(30)의 출력단과 대용량 콘덴서(C4)와 다이오드(D5)가 각각 병렬로 구성되며, 상기 대용량 콘덴서(C4)는 약 100㎌정도로 상기 정류부(30)에서 공급되는 전류가 교류성분을 포함한 맥류전류이므로 맥류를 평활하여 양질의 직류를 상기 발진부(50)에 공급하고, 상기 발진부(50)에서 발생될 수 있는 역기전력이 상기 콘덴서(C4)에 역전압을 인가하여 파괴할 수 있는 것을 상기 다이오드(D5)가 방지한다.
상기 발진부(50)는 상기 평활부(40)의 양질의 직류전원을 저항(R1)과 콘덴서(C5)로 입력받고, 상기 저항(R1)과 콘덴서(C5) 사이에 연결된 다이악(D6)이 모스트랜지스터(MOS transistor,Q2)의 게이트와 연결되고 상기 모스트랜지스터(Q2)의 소오스/드레인 드레인/소오스가 상기 평활부(40)의 일측단과 연결되고, 상기 모스트랜지스터(Q2)의 소오스/드레인 드레인/소오스가 모스트랜지스터(Q1)의 소오스/드레인 드레인/소오스에 연결되며, 상기 모스트랜지스터 Q1의 소오스/드레인 드레인/소오스가 상기 평활부(40)의 타측단과 연결된다.
상기 모스트랜지스터 Q2의 게이트와 리엑터(L2-2)의 일출력단 사이에 저항(R4)가 연결되며, 또한 직렬구성된 다이오드(D9)와 제너다이오드(ZD2)가 병렬구성되어 상기 리엑터(L2-2)의 타출력단에 연결된다. 또한 상기 평활부(40)의 타측단과 상기 모스트랜지스터 Q1, Q2의 소오스/드레인 드레인/소오스의 연결점 사이에 저항(R2)과 다이오드(D7)가 직렬로 연결된다. 그리고 상기 모스트랜지스터 Q1, Q2의 소오스/드레인 드레인/소오스의 연결점에 리액터(L2)가 연결되며, 상기 리액터(L2-1)의 일출력단자와 상기 저항 R3가 연결되고, 타출력단자는 상기 모스트랜지스터 Q1, Q2의 소오스/드레인 드레인/소오스의 연결점 사이에 연결된다. 또한 상기 리액터(L2-1)의 출력단자와 직렬로 구성된 다이오드(D8)와 제너다이오드(ZD1)가 병렬로 연결된다.
그리고 리액터(L2-2)의 일출력단자는 상기 모스트랜지스터 Q1, Q2의 소오스/드레인 드레인/소오스의 연결점 사이에 연결되고, 타출력단자는 상기 평활부(40)의 일측단과 연결된다. 또한 상기 리액터(L2-2)의 출력단자와 직렬로 구성된 다이오드(D9)와 제너다이오드(ZD2)가 병렬로 연결 구성된다.
상기 공진부(60)는 상기 리액터 L2와 직렬로 리액터(L3)에 연결되어 상기 형광등(70)의 일측단에 연결된다.
그리고 상기 발진부(50)의 고주파출력단과 각각 직렬연결된 콘덴서(C6, C7)와 직렬 연결된 다이오드(D10, D11)가 연결되며, 상기 콘덴서 C6과 C7, 상기 다이오드 D10과 D11의 연결점과 상기 형광등(70)의 타측단에 연결되며, 상기 형광등(70)의 일측필라멘트와 타측필라멘트는 상기 필라멘트의 예열수단으로 콘덴서(C8)을 연결하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 고안의 고주파 형광등용 전자식 안정기의 동작을 설명하면, 상용전원을 교류입력전원으로 스위칭받아 입력되면 이 때 충격전류를 서미스터(TH1)으로 완충하여, 전원 및 발진부에서 발생되는 노이즈를 필터부(20)에서 필터링한 후 정류부(30)와 평활부(40)를 통해 양질의 직류전원을 생성한다.
상기 생성된 직류전원은 상기 저항 R1과 콘덴서 C5, 다이악 D6을 통해 상기 평활부(40)의 직류전류로 상기 모스트랜지스터 Q2의 게이트에 스타트신호를 발생한다. 이 때 상기 모스트랜지스터 Q1, Q2의 소오스/드레인 드레인/소오스의 연결점 사이에 연결된 저항 R2와 다이오드 D7를 통해 상기 평활부(40)를 통해 인가된 전원의 중점전원을 공급하게 된다.
상기 모스트랜지스터 Q1의 게이트에 인가된 스타트신호에 의해 상기 모스트랜지스터 Q1이 도통되어 상기 리액터 L2와 리액터 L3 및 콘덴서 C6을 충전하게 된다. 따라서 상기 리액터 L2-1과 리액터 L2-2 및 리액터 L3에 기전력이 유기되고 상리 리액터 L2-1에 유기된 기전력은 다이오드 D8과 제너다이오드 ZD1를 통해 저항 R3에 인가된다. 상기 저항 R3은 전류를 제한하여 상기 모스트랜지스터 Q1의 게이트에 인가되어 상기 모스트랜지스터 Q1이 도통되어 콘덴서 C6을 방전시킴과 동시에 콘덴서 C7를 충전시킨다.
또한 상기 리액터 L2-2의 기전력은 다이오드 D9와 제너다이오드 ZD2을 통하여 전류를 제한하는 저항 R4에 공급되어 상기 모스트랜지스터 Q2를 차단시키게 된다.
따라서 상기 모스트랜지스터 Q1과 Q2과 교번으로 스위칭하여 콘덴서 C6과 콘덴서 C7에 의해 충전과 방전이 순차적으로 되어 상기 리액터 L3에 방향이 바뀐 충ㆍ방전전류가 유도된다.
상기 충ㆍ방전주기는 리액터 L3과 콘덴서 C6, C7의 용량에 의하여 결정되며, 리액터 L3에 최대전력을 발생시키기 위하여는 상기 리액터 L3과 콘덴서 C6, C7의 값을 수학식1에 의한 합성임피던스값이 형광등의 고유임피던스와 같게하여 LC공진회로가 된다.
상기 LC공진회로에 의하여 발생된 기전력은 70~100W형의 고주파형광등의 필라멘트 양쪽의 일측에 각각 연결되어 공급되며, 타측의 필라멘트에 각각 연결되어 있는 상기 콘덴서 C8은 형광등(70)에 흐르는 전류를 피드백하여 형광등의 밝기를 일정하게 하고, LC공진회로에 의하여 전압을 상승시키므로 전력의 손실을 방지한다.
상기 LC공진회로의 초기단계에서는 형광등(70)에 걸리는 전압은 방전개시전압(breakdown voltage)보다 휠씬 낮기 때문에 안정기의 주 공진회로에 공진이 일어나지 않아 형광등(70)을 통한 전류는 흐르지 않게 되고, 차츰 상기 발진부(50)의 출력전압이 높아짐에 따라 출력 주파수가 공진주파수에 가까워지면 공진자의 임피던스가 감소하고, 상기 공진주파수에 도달하게 되면 임피던스가 최소로 되어 아주 작은 저항으로 상기 형광등(70)과 연결된다.
그리고 상기 형광등(70)에 걸리는 전압이 대량의 이온화가 가능한 임계값에 이르면 형광등은 방전을 개시하고 형광등을 통하여 전류가 흐르게 된다.
또한 상기 콘덴서 C8의 공진주파수가 상기 LC공진회로의 공진주파수보다 높으면 형광등(70)이 점등되기 전에 필라멘트에 예열전류(cathode filament current)의 예열효과가 얻어지고 따라서 형광등(70)을 부드럽게 점등시킬 수 있게 된다.
따라서 형광등의 수명을 연장시킬 수 있고, 스위치를 스위칭함과 동시에 플리커(flicker)가 없이 소프트 스타트/소프트 스톱(soft start/soft stop) 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 고안에 따르면, 별도의 승압회로가 필요 없이 공진회로로서 승압을 실현함으로서 전력손실을 극소화하고, 부품수를 줄여 원가를 절감하고, 제품의 소형화로 공간활용을 용이하게 하며, 점등 시 플리커현상을 없애고 형광등의 필라멘트에 흐르는 전류를 극소화하여 형광등의 수명을 연장시키는 70 ~ 100W형 고주파 형광등용 전자식 안정기를 제공하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 상용 교류전원을 입력받아 동작하는 형광등용 전자식 안정기에 있어서,
    상기 입력전원의 스위칭에 의한 충격전류를 완충시키는 완충부(10)와, 상기 입력전원과 역기전력으로부터 유입될 수 있는 노이즈를 제거하는 필터부(20)와, 상기 필터부(20)의 전원을 공급받아 교류전원을 직류전원으로 변화하는 정류부(30)와, 상기 정류부(30)에서 공급되는 교류성분의 맥류를 포함한 전원을 직류로 변환하는 평활부(40)와, 상기 직류전원을 빠른 속도로 트리거하고 짧은 트리거 펄스가 자려 발진자를 통해 고주파로 변환시키는 발진부(50)와, 상기 발진부(50)의 고주파 출력전압을 70~100와트형 형광등의 방전을 개시하는 방전개시전압까지는 높은 임피던스를 유지하고 상기 방전개시전압 후에 낮은 임피던스가 되는 공진부(60)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 형광등용 전자식 안정기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발진부는,
    상기 평활부(40)의 출력전원의 중점전원을 인가하는 제1저항과 제1다이오드와, 상기 평활부(40)의 출력전원을 직렬연결된 제2저항과 제1콘덴서에 병렬연결된 다이악을 통해 시작신호를 인가받는 제1모스트랜지스터와, 상기 제1모스트랜지스터의 도통으로 기전력을 유기하는 제1리액터와, 상기 제1리액터의 일측출력단과 병렬연결된 제2다이오드와 제1제너다이오드를 통해 기전력의 전류를 제한하는 제3저항과, 상기 제3저항을 통한 전류로 도통되는 제2모스트랜지스터와, 상기 제1리액터의 타측출력단과 병렬연결된 제3다이오드와 제2제너다이오드를 통해 기전력의 전류를 제한하는 제4저항으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 형광등용 전자식 안정기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공진부(60)는,
    상기 발진부(50)의 제1리액터와 직렬로 연결된 제2리액터와, 상기 형광등(70)의 일측단에 연결되고 상기 발진부(50)의 고주파출력단과 병렬로 연결된 제2콘덴서/제3콘덴서와 제4다이오드/제5다이오드와, 상기 제2콘덴서/제3콘덴서와 상기 제4다이오드/제5다이오드의 연결점과 상기 형광등(70)의 타측단에 연결되며 상기 형광등(70)의 일측필라멘트와 타측필라멘트에 연결되는 제4콘덴서로 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 형광등용 전자식 안정기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030014994A (ko) * 2001-08-14 2003-02-20 주식회사 원플러스 에이치아이디 램프 장치
KR20030072657A (ko) * 2002-03-06 2003-09-19 주식회사 에스.이.씨 형광등 스타터

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