WO2004062051A1 - Laserdiodenbarren mit parallel geschalteter diode zur elektrischen überbrückung des laserdiodenbarrens im fehlerfall - Google Patents

Laserdiodenbarren mit parallel geschalteter diode zur elektrischen überbrückung des laserdiodenbarrens im fehlerfall Download PDF

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Gerhard Herrmann
Josip Maric
Michael Schwind
Martin Behringer
Alexander Behres
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a laser diode component according to the preamble of claim 1 and an electronic circuit arrangement according to the preamble of claim 11. It relates in particular to a laser diode component or to a circuit arrangement with one or more high-power laser diode bars.
  • the present invention is based on the object of providing a laser diode bar or a circuit arrangement in which the failure of a single laser diode bar or module does not lead to a complete failure of the entire series of laser diode bars or modules.
  • the arrangement according to the invention provides for a bridging element, in particular in the form of a semiconductor component, to be connected in parallel with a diode laser in such a way that in the event of failure of the diode laser, which results in an interruption or a sharp reduction in the current flow through it, the bridging element switches through and bridged the failed diode laser electrically.
  • a mechanical element for example a relay, can also be used.
  • the bridging element must be designed in such a way that it is sufficiently high-impedance when the diode laser is operating properly and that it switches through in the event of a defective high-resistance diode laser due to the increased voltage drop and bridges the diode laser electrically, so that the other diode lasers of a series circuit are still supplied with current stay.
  • the bridging element can have a single suitable electrical element (for example diode etc. (see further below)) or a plurality of electrical elements connected in parallel or in series. Likewise, several bridging elements can be used in a serial or parallel connection.
  • a preferred switching element is a diode, in particular an AlGaAs diode, whose diffusion voltage (also called threshold or lock voltage) is higher than the operating voltage of the diode laser.
  • the diffusion voltage is preferably at least 200 mV higher than the operating voltage of the diode laser.
  • the diode laser and the associated bridging element are applied to a common heat sink, the bridging element is fastened to the heat sink by means of a first connecting means, and the diode laser is fastened to the heat sink by means of a second connecting means.
  • the melting point of the first connection means is at a higher temperature than that of the second connection means.
  • connection between the bridging element and the heat sink is damaged during the assembly of the diode laser.
  • the diode laser and the bridging element can be mounted on the heat sink at the same time or in succession (preferably by heating the component itself) with the same connecting means or with similar connecting means.
  • the bridging element is preferably attached to the heat sink by means of a hard solder and the laser diode bars by means of a soft solder.
  • the heat sink is, for example, a metallic heat sink or a metal carrier provided with a microchannel cooler structure, through which a cooling liquid is pumped.
  • Diode laser and bridging element can also be mounted on a common heat-conducting leadframe, which ensures sufficient heat dissipation from the diode laser.
  • the principle on which the invention is based can also be used in other devices and circuit arrangements in which a plurality of electronic components are connected in series and a bridging of a defective electronic component leads to a total failure of the whole Device or the entire circuit arrangement or an essential part of the circuit arrangement would lead. It is therefore expressly pointed out that such devices and circuit arrangements also belong to the invention.
  • Figure 1 is a sectional view through the embodiment
  • Figure 2 is a plan view of the embodiment.
  • a laser diode bar 1 is mounted together with an AlGaAs diode 2 on a common metallic carrier 3.
  • the laser diode bar 1 is fastened to the carrier 3 by means of a soft solder 4 (for example indium solder) and the AlGaAs diode 2 is fastened with a hard solder 5 (for example AuSn solder).
  • the carrier 3 is a heat sink and in each case represents a first electrical connection of the laser diode bar 1 and the AlGaAs diode 2.
  • the AlGaAs diode 2 is designed in such a way that its diffusion voltage is approximately 200 mV above the operating voltage of the laser diode bar 1.
  • a connecting strip 6 spans the laser diode bar 1 and the AlGaAs diode 2 and is connected to them in an electrically conductive manner by means of a metallic solder.
  • the connecting strip 6 each represents a second electrical connection of the laser diode bar 1 and the AlGaAs diode 2.
  • the AlGaAs diode 2 is first attached to the carrier 3 by means of the hard solder 5. Thereafter, the metallic carrier 3 is vaporized with indium and thereby prepared for the assembly of the laser diode bar 1.
  • the laser diode bar 1 is subsequently applied to the carrier 3 by means of soft soldering. Since the indium soldering takes place at a significantly lower temperature than the hard soldering of the AlGaAs diode 2, there is no risk that the connection between the carrier 3 and the AlGaAs diode 2 softens again when the laser diode bar 1 is mounted.
  • the voltage between the cathode (carrier) and the anode (connecting strip) rises sharply until the parallel diode 2 switches to pass and essentially shorts the laser diode bar 1 ,
  • a laser diode component according to the exemplary embodiment has the particular advantage that it is small and can be integrated.
  • a plurality of such laser diode components and thus a plurality of laser diode bars are connected in series with one another.
  • a Zener diode suitable for the switching voltage a correspondingly suitable triac (overhead), a plurality of Si diodes connected in series or a mechanical switch / mechanical fuse (for example a surge arrester, a spring on a solder ball or a bimetal switch) can be used.
  • An arrangement in FET technology, SIP-MOS technology or CoolMOS technology can also be used.
  • a particular advantage of this technology is that an intelligent circuit arrangement with low power loss can be implemented and that the status of the associated laser diode can also be recognized by remote inquiry.
  • the use of a thyristor, a bipolar transistor, a relay or a manual switch is also conceivable as a bridging element.

Abstract

Es wird ein Laserdiodenbauelement mit einem Wörmesenke (3) und einem Kontakt (6) und mit einem Laserdiodenbarren (1) angegeben, an dem im Betrieb eine bestimmte Betriebsspannung anliegt und dem ein Überbrückungselement (2) parallelgeschaltet ist, das sich bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen Laserdiodenbarren in einem stromsperrenden Zustand befindet und das in einen stromleitenden Zustand umschaltet, sobald der Spannungsabfall am Laserdiodenbarren die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Spannungswert überschreitet. Weiterhin wird eine Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von solchen Laserdiodenbauelementen angegeben, die in Reihe geschaltet sind.

Description

Beschreibung
LASERDIODENBARREN MIT PARALLEL GESCHALTETER DIODE ZUR ELEKTRISCHEN ÜBERBRÜCKUNG DES LASERDIODENBARRENS IM FEHLERFALL
Die Erfindung betrifft ein Laserdiodenbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine elektronische Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru- ches 11. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Laserdiodenbauelement bzw. auf eine Schaltungsanordnung mit einem bzw. mehreren Hoc leistungslaserdiodenbarren .
Beim Ausfall eines Laserdiodenbarrens kann es zur Unterbre- chung des Stromflusses über den Laserdiodenbarren kommen. In einer Sehaltungsanordnungen mit einer Mehrzahl von seriell zueinander verschalteten Laserdiodenbarren oder Laserdioden- barrenmodulen führt dies zum Komplett-Ausfall aller Laserdiodenbarren beziehungsweise -module der betroffenen Serie. Zur Behebung des Ausfalls wird bislang üblicherweise die gesamte Serie mit dem ausgefallenen Laserdiodenbarren ausgetauscht .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserdiodenbarren bzw. eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, bei der es bei einem Ausfall eines einzelnen Laserdiodenbarrens bzw. -moduls nicht zum Komplett-Ausfall der gesamten Serie von Laserdiodenbarren bzw. -modulen kommt.
Diese Aufgabe wird mit einem Laserdiodenbarren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. mit einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 und 12 bis 20 angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, ein Überbrückungs- element, insbesondere in Form eines Halbleiterbauelements so parallel zu einem Diodenlaser zu schalten, dass beim Ausfall des Diodenlasers, der ein Unterbrechen oder eine starke Verringerung des Stromflusses über ihn zur Folge hat, das Über- brückungselement durchschaltet und den ausgefallenen Diodenlaser elektrisch überbrückt. An Stelle des Halbleiterbauelements kann auch ein mechanisches Element, beispielsweise ein Relais eingesetzt werden. Das Überbrückungsele ent muß derart ausgestaltet sein, dass es bei ordnungsgemäßen Betrieb des Diodenlasers hinreichend hochohmig ist und dass es bei schadhaftem hochoh igen Diodenlaser aufgrund des erhöhten Spannungsabfalls durchschaltet und den Diodenlaser elektrisch überbrückt, so dass die übrigen Diodenlaser einer Serienschaltung nach wie vor mit Strom versorgt bleiben.
Das Überbrückungselement kann ein einziges geeignetes elektrisches Element (zum Beispiel Diode etc. (siehe weiter unten) ) oder eine Mehrzahl von parallel oder seriell verschalteten elektrischen Elementen aufweisen. Ebenso können mehrere Überbrückungselemente in serieller oder paralleler Verschal- tung zum Einsatz kommen.
Ein bevorzugtes Schaltelement ist eine Diode, insbesondere eine AlGaAs-Diode, deren Diffusionsspannung (auch Schwellen- oder Schleusenspannung genannt) höher als die Betriebsspannung des Diodenlasers ist. Vorzugsweise ist die Diffusionsspannung mindestens 200 mV höher als die Betriebsspannung des Diodenlasers. Dies gewährleistet vorteilhafterweise einerseits einen sicheren Betrieb eines ordnungsgemäß funktionie- renden Diodenlasers auch bei SpannungsSchwankungen und andererseits ein sicheres Schalten auf Durchlass bei einem Ausfall des zugehörigen Diodenlasers .
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Laserdiodenbauelements sind der Diodenlaser und das zugehörige Überbrückungselement auf einer gemeinsamen Wärmesenke aufgebracht, ist das Überbrückungselement mittels eines ersten Verbindungsmittels auf der Wärmesenke befestigt und ist der Diodenlaser mittels eines zweiten Verbindungsmittels auf der Wärmesenke befestigt. Der Schmelzpunkt des ersten Verbindungsmittels liegt bei einer höheren Temperatur als der des zweiten Verbindungsmittels. Dadurch wird vorteilhafterweise vermieden, dass bei einer Montage des Überbrückungselements auf die Wärmesenke bevor der Diodenlaser montiert wird die
Verbindung zwischen Überbrückungselement und Wärmesenke während der Montage des Diodenlasers geschädigt wird. Alternativ können der Diodenlaser und das Überbrückungselement gleichzeitig oder nacheinander (vorzugsweise mittels Erhitzen des Bauelements selbst) mit dem gleichen Verbindungsmittel oder mit ähnlichen Verbindungsmitteln auf der Wärmesenke montiert werden.
Bevorzugt wird das Überbrückungselement mittels eines Hartlo- tes und der Laserdiodenbarren mittels eines Weichlotes auf der Wärmesenke befestigt.
Die Wärmesenke ist beispielsweise ein metallischer Kühlkörper oder ein mit einer Mikrokanalkühlerstruktur versehener Me- tallträger, durch den eine Kühlflüssigkeit gepumpt wird.
Diodenlaser und Überbrückungselement können aber auch auf ein gemeinsames wärmeleitendes Leadframe montiert sein, das eine hinreichende Wärmeableitung vom Diodenlaser gewährleistet. Neben der Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung bei Laserdiodenbarren kann das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip auch bei anderen Geräten und Schaltungsanordnungen eingesetzt werden, in denen eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen in Serie geschaltet sind und eine Überbrückung eines schadhaften elektronischen Bauelements zu einem Total- ausfall des gesamten Geräts bzw. der gesamten Schaltungsanordnung oder eines wesentlichen Teiles der Schaltungsanordnung führen würde. Es wird daher ausdrücklich darauf hinge- wiesen, dass auch solche Geräte und Schaltungsanordnungen zur Erfindung gehören.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laserdiodenbauelements bzw. der erfindungs- gemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 erläuterten Ausführungsbeispiel . Er zeigen:
Figur 1 eine Schnittansicht durch das Ausführungsbeispiel , und
Figur 2 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist ein Laserdiodenbarren 1 zusammen mit einer AlGaAs-Diode 2 auf einem gemeinsamen metal- lischen Träger 3 montiert. Der Laserdiodenbarren 1 ist mittels eines Weichlotes 4 (zum Beispiel Indium-Lot) und die AlGaAs-Diode 2 ist mittels eines Hartlotes 5 (zum Beispiel AuSn-Lot) auf dem Träger 3 befestigt. Der Träger 3 ist eine Wärmesenke und stellt jeweils einen ersten elektrischen An- Schluß des Laserdiodenbarrens 1 und der AlGaAs-Diode 2 dar.
Die AlGaAs-Diode 2 ist derart ausgelegt, dass deren Diffusionsspannung etwa 200 mV über der Betriebsspannung des Laserdiodenbarrens 1 liegt. Ein Anschlußstreifen 6 überspannt den Laserdiodenbarren 1 und die AlGaAs-Diode 2 und ist mit diesen mittels eines metallischen Lotes elektrisch leitend verbunden. Der Anschlußstrei- fen 6 stellt jeweils einen zweiten elektrischen Anschluß des Laserdiodenbarrens 1 und der AlGaAs-Diode 2 dar.
Im Herstellungsprozess eines solchen Laserdiodenbauelements wird zunächst die AlGaAs-Diode 2 mittels des Hartlotes 5 auf dem Träger 3 befestigt. Danach wird der metallische Träger 3 mit Indium bedampft und dadurch für die Montage des Laserdiodenbarrens 1 vorbereitet . Nachfolgend wird der Laserdiodenbarren 1 mittels Weichlöten auf dem Träger 3 aufgebracht. Da die Indium-Lötung bei wesentlich geringerer Tempe- ratur erfolgt als die Hartlötung der AlGaAs-Diode 2, besteht nicht das Risiko, dass beim Montieren des Laserdiodenbarrens 1 die Verbindung zwischen Träger 3 und AlGaAs-Diode 2 wieder erweicht .
Fällt bei der oben beschriebenen Anordnung der Laserdiodenbarren 1 aus und läßt dieser infolgedessen keinen Stromfluß mehr zu, steigt die Spannung zwischen Kathode (Träger) und Anode (Anschlußstreifen) stark an bis die Paralleldiode 2 auf Durchlass schaltet und den Laserdiodenbarren 1 im Wesentli- chen kurzschließt.
Ein Laserdiodenbauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel hat den besonderen Vorteil, dass es klein und integrierbar ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Sehaltungsanordnung mit Laserdiodenbauelementen gemäß dem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl solcher Laserdiodenbauelemente und damit eine Mehrzahl von Laserdiodenbarren in Serie zueinander verschaltet . An Stelle der AlGaAs-Diode 2 kann eine hinsichtlich der SchaltSpannung geeignete Zenerdiode, ein entsprechend geeigneter Triac (Überkopf) , eine Mehrzahl von seriell verschalteten Si-Dioden oder ein mechanischer Schalter/eine mechanische Sicherung (zum Beispiel ein Uberspannungsableiter, eine Feder auf Lotkugel oder ein Bimetallschalter) eingesetzt werden.
Ebenso anwendbar ist eine Anordnung in FET-Technologie, Sip- MOS-Technologie oder CoolMOS-Technologie . Ein besonderer Vor- teil dieser Technologie besteht darin, dass eine intelligente Schaltungsanordnung mit kleiner Verlustleistung realisierbar ist und dass der Zustand der zugehörigen Laserdiode auch per Fernabfrage erkennbar ist. Alternativ ist auch die Verwendung eines Thyristors, eines Bipolar-Transistors, eines Relais oder eines manuellen Schalters als Überbrückungselement denkbar.
Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele be- schränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 102 61 309.5 vom 27. Dezember 2002 und 103 06 312.9 vom 14. Februar 2003, deren Offenbarungsgehalt hiermit explizit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Laserdiodenbauelement mit einem Laserdiodenbarren, an dem im Betrieb eine bestimmte Betriebsspannung anliegt dadurch gekennzeichnet , dass dem Laserdiodenbarren ein Überbrückungselement parallel- geschaltet ist, das bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen Laserdiodenbarren einen geringeren Strom durchläßt als der Laserdiodenbarren oder keinen Strom durchläßt und das in einen derart nie- derohmigen Zustand umschaltet, dass der Laserdiodenbarren überbrückt wird, sobald der Spannungsabfall am Laserdiodenbarren die bestimmte Betriebsspannung um einen vorgegebenen Spannungswert überschreitet .
2. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement in den den Laserdiodenbarren überbrückenden Zustand umschaltet, sobald die am Überbrückungselement anliegende Spannung mindestens 200 mV höher ist als die bestimmte Betriebsspannung des zugehörigen Laserdiodenbarrens .
3. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement mindestens eine Diode aufweist, die bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung an dem zugehörigen Laserdiodenbarren in Durchlassrichtung ge- polt ist und deren Diffusionsspannung mindestens 200 mV höher ist als die Betriebsspannung des zugehörigen Laserdiodenbarrens .
1. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement eine Diode auf der Basis von AlGaAs-Halbleitermaterial aufweist .
5. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement eine Serienschaltung von mehreren Dioden aufweist.
6. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Serienschaltung drei Si-Dioden aufweist.
7. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement mindestens eine Zenerdiode aufweist, deren Durchbruchspannung mindestens 200 mV höher ist als die Betriebsspannung des zugehörigen Laser- diodenbarrens .
8. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement ein Triac ist, dessen Schaltspannung mindestens 200 mV höher ist als die Betriebsspannung des zugehörigen Laserdiodenbarrens.
9. Laserdiodenbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass jeder Laserdiodenbarren und das zugehörige Überbrük- kungselement auf einer gemeinsamen Wärmesenke aufgebracht sind, dass das Überbrückungselement mittels eines ersten Verbindungsmittels auf der Wärmesenke befestigt ist und der Laserdiodenbarren mittels eines zweiten Verbindungsmittels auf der Wärmesenke befestigt ist und dass der Schmelzpunkt des ersten Verbindungsmittels bei einer höheren Temperatur liegt als der des zweiten Ver- bindungsmittels .
10. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 9, d a du r c h g e ke nn z e i c hn e t , dass das erste Verbindungsmittel ein Hartlot ist und das zweite Verbindungsmittel ein Weichlot ist.
11. Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zueinander verschalteten Laserdiodenbarren, an denen im Betrieb der Serienschaltung jeweils eine bestimmte Be- triebsSpannung anliegt, dadurch gekennzeichnet , dass jedem Laserdiodenbarren ein Überbrückungselement parallelgeschaltet ist, das bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen Laserdiodenbarren einen geringeren Strom durchläßt als der Laserdiodenbarren oder keinen Strom durchläßt und das in einen derart nie- derohmigen Zustand umschaltet, dass der Laserdiodenbarren überbrückt wird, sobald der Spannungsabfall am Laserdiodenbarren die bestimmte Betriebsspannung um einen vorgegebenen Spannungswert überschreitet.
12. S ehalt ungsanordnung nach Anspruch 11, da du r c h g e ke nn z e i c hne t , dass das Überbrückungselement in den den Laserdiodenbarren überbrückenden Zustand umschaltet, sobald die am Überbrückungselement anliegende Spannung mindestens 200 mV höher ist als die bestimmte Betriebsspannung des zugehörigen Laserdiodenbarrens .
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement mindestens eine Diode aufweist, die bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung an dem zugehörigen Laserdiodenbärren in Durchlassrichtung ge- polt ist und deren Diffusionsspannung mindestens 200 mV höher ist als die Betriebsspannung des zugehörigen Laserdiodenbarrens .
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement eine Diode auf der Basis von AlGaAs-Halbleitermaterial aufweist .
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement eine Serienschaltung von mehreren Dioden aufweist.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass die Serienschaltung drei Si-Dioden aufweist.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , dass das Überbrückungselement mindestens eine Zenerdiode aufweist, deren Durchbruchspannung mindestens 200 mV höher ist als die Betriebsspannung des zugehörigen Laserdiodenbarrens .
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Überbrückungselement ein Triac ist , dessen Schaltspannung mindestens 200 mV höher ist als die Be- triebsspannung des zugehörigen Laserdiodenbarrens .
19. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet , dass jeder Laserdiodenbarren und das zugehörige Überbrük- kungselement auf einer gemeinsamen Wärmesenke aufgebracht sind, dass das Überbrückungselement mittels eines ersten Verbindungsmittels auf der Wärmesenke befestigt ist und der Laserdiodenbarren mittels eines zweiten Verbindungsmittels auf der Wärmesenke befestigt ist und dass der Schmelzpunkt des ersten Verbindungsmittels bei einer höheren Temperatur liegt als der des zweiten Verbindungsmittels .
20. Sc altungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , dass das erste Verbindungsmittel ein Hartlot ist und das zweite Verbindungsmittel ein Weichlot ist.
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