WO2005071908A1 - Anordnung zur übertragerlosen elektronischen stromeinspeisung in die signalleitungen eines lokalen netzes - Google Patents

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    • H04L25/0276—Arrangements for coupling common mode signals

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for feeding current into the signal lines of a local network.
  • LAN local area networks
  • 4-wire lines twisted pairs
  • the end devices are usually fed via additional wires.
  • a computer workstation networked via a LAN can be supplemented by an IP telephone fed from the LAN without modifying the existing 8-wire standard cabling (twisted pair).
  • So-called phantom supply circuits are generally used for the supply via the data lines.
  • the phantom power is supplied in a 4-wire LAN with the arrangement shown in FIG. 1.
  • 1 shows on the left side the supply voltage coupling for a terminal PD to be supplied via a supply device PSE and on the right side the supply voltage coupling on the terminal.
  • the receiving side is labeled Rx and the sending side is labeled Tx records.
  • a transmitter Ü1, Ü2 and Ü3, Ü4 are provided on the coupling and decoupling sides.
  • the power supply device PSE is connected to the secondary sides of the transmitters T1 and T2 via corresponding taps, and ohmic resistors R1 and R2 are connected in parallel to the secondary side. To a certain extent, this is a mirror image of the design on the decoupling side, where the device PD to be supplied lies in parallel between taps on the primary side of the transmitters T3 and T4 and resistors R3 and R4.
  • transformers In the case of phantom circuits, transformers are used which have a relatively large space requirement - in particular a large overall height - and high costs in comparison to other electronic standard components.
  • line terminating resistors are not always freely available because they e.g. can be used by the transmitter output stage (Tx) as internal resistance (series resistance).
  • the invention is therefore based on the object of an improved arrangement for feeding current into terminals specify local network via the data lines, which is characterized in particular by small size and low costs and low power loss.
  • An essential idea of the invention is to replace the transmitters with passive or active electronic solutions in order to save space and / or costs.
  • the signal coupling or signal coupling takes place capacitively.
  • the supply voltage is coupled in via the "adaptation" circuits, which consist of electronic, active and / or passive, components. If necessary, the terminating resistances of the lines can be included in the matching circuits. The adaptation must be carried out in such a way that the signal transmission (Rx, Tx) is not significantly impaired.
  • the supply voltage is decoupled analogously.
  • the solution described below is limited to the power supply (source), i.e. the so-called Power Sourcing Equipment (PSE), with regard to the difference between source and sink.
  • source i.e. the so-called Power Sourcing Equipment (PSE)
  • PSE Power Sourcing Equipment
  • FIG. 1 shows a conventional phantom power via the data lines in a 4-wire LAN
  • Fig. 3 shows the principle of an electronic feed choke realized with discrete circuit means
  • Fig. 4 shows a power supply arrangement according to a preferred embodiment of the invention in a 4-wire LAN.
  • Fig. 2 shows - based on the representation of Fig. 1 - a schematic diagram of an arrangement according to the invention, the power supply device again with PSE and the device to be supplied with PD and the receiving and transmitting sides with Rx and Tx.
  • the designation of the resistors interposed on the respective receiving or transmitting sides as Rl to R4 also corresponds to FIG. 1.
  • a second significant deviation from the conventional design is the interposition of an electronic adaptation circuit AD1, AD2 between the power supply device PSE and the associated line sections L1, L2 or L3, L4 or of corresponding adaptation circuits AD3, AD4 between the corresponding line sections on the decoupling side and the device PD to be supplied.
  • an electronic feed choke per wire is used on a 4-wire LAN on the feeding side (source).
  • FIG. 4 shows a concrete version of the voltage coupling side, the direction to a device PD to be supplied being symbolized by an arrow designated accordingly.
  • the voltage supply device PSE provides a supply voltage Usp.
  • each coupling capacitor C1 to C22 is provided on the receiving side Rx and the transmitting side Tx for a capacitive signal coupling.
  • a driver D1 or D2 with a downstream complex resistor Z / 2 is provided in each line.
  • a resistor network connecting the receiving and transmitting side Rx, Tx is provided, consisting of two complex resistors Z / 2 and two ohmic resistors R3, R4.
  • the actual adaptation circuits - to replace the earlier transformer - are formed by four transistors T1 to T4, the adaptation on the receiving side being implemented with PNP transistors T1, T2 and the transmission-side adaptation with NPN transistors T3, T4.
  • the nodes of the network adjacent to the supply voltage source Usp are each connected to the base of the transistors via capacitors C, while a connection to the emitters of the transistors T1, T2 and T3, T4 is established via intrinsic resistors RE.
  • the base and collector of the transistors T1, T2 and T3, T4 are each connected to one another via a resistor R1 and finally to the two lines L1, L2 on the receiving side and L3, L4 on the transmitting side.
  • the transistors T1, T2 and T3, T4 each form electronic throttles.
  • 4 electronic chokes are used, of which 2 chokes (T1 / T2 and T3 / T4) are designed to complement each other.
  • the positive supply voltage + Usp is fed via the transistors T1 and T2 and the negative supply voltage -Usp via the transistors T3 and T4 into the respective line pairs. Since the electronic chokes behave dynamically with high impedance when dimensioned appropriately, there is only a slight influence on the signal level.
  • the chokes should be dimensioned identically in order to avoid asymmetrical loads on the line pairs.
  • the electronic chokes must be dimensioned so that the voltage drop across the respective transistor (Tl ... T4) is slightly larger than the sum of the maximum signal voltage amplitude and transistor saturation voltage.
  • the required voltage drop can be caused by the
  • the saturation of the transistors must be avoided, otherwise there is a massive limitation of the useful signal amplitude.
  • the input resistance of each electronic choke corresponds approximately to the value of R1, as long as the saturation of the transistors is avoided.
  • the necessary line termination resistance Z can generally be used for this purpose by division into 2xZ / 2, as also shown here become. This is generally not possible on the transmission side (Tx), since the line termination is realized by series resistances of the transmission driver. Resistors R3 and R4 are therefore required here.
  • the resistance values of R3 and R4 should be chosen as large as possible, since their sum is effective parallel to the Tx line termination. On the other hand, the resistance value determines the level of the cross current. A minimum value is required here to keep the voltage drop of the electronic choke transistors - even in dynamic transmission mode - outside the saturation voltage (see above).

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Abstract

Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen (L1 bis L4) eines lokalen Netzes zur Stromversorgung eines Endgerätes (PD), mit aktiven und/oder passiven elektronischen Mitteln zur Speisespannungs-Einkopplung.

Description

Beschreibung
Anordnung zur übertragerlosen elektronischen Stromeinspeisung in die Signalleitungen eines lokalen Netzes
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen eines lokalen Netzes.
In lokalen Netzen (Local Area Networks = LAN) , bei denen die physische Datenübertragung beispielsweise über 4-Draht-Lei- tungen (Twisted pairs) erfolgt, wird die Speisung von Endgeräten in der Regel über zusätzliche Drähte geführt.
Auf Grund vorgegebener Installationen und/oder zur besseren Ausnutzung von Kabel-Installationen kann es von Vorteil sein, die Speisung von Endgeräten über die 4 Datenleitungen - also ohne zusätzliche Speiseadern - zu führen. Dieses Prinzip ist für LANs mit Standard-Ethernet-Kabel im IEEE-Dokument "802.3af" standardisiert.
Konkret kann beispielsweise ein über ein LAN vernetzter Rechner-Arbeitsplatz durch ein aus dem LAN gespeistes IP-Telefon ergänzt werden, ohne die vorhandene 8-adrige Standard-Verkabelung (Twisted pair) zu modifizieren.
Bei der Speisung über die Datenleitungen werden in der Regel sogenannte Phantom-Speiseschaltungen eingesetzt. In einem 4- Draht LAN erfolgt die Phantomspeisung mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Fig. 1 zeigt auf der linken Seite die Speisespannungs-Einkopplung für ein zu versorgendes Endgerät PD über eine Versorgungseinrichtung PSE und auf der rechten Seite die Speisespannungs-Auskopplung am Endgerät. Die Empfangsseite ist jeweils mit Rx und die Sendeseite mit Tx be- zeichnet. Einkopplungs- und auskopplungsseitig sind jeweils ein Übertrager Ül, Ü2 bzw. Ü3, Ü4 vorgesehen. Auf der Ein- kopplungsseite ist die Stromversorgungseinrichtung PSE über entsprechende Anzapfungen jeweils mit den Sekundärseiten der Übertrager Tl und T2 verbunden, und zur Sekundärseite sind ohmsche Widerstände Rl bzw. R2 parallel geschaltet. Gewissermaßen spiegelbildlich hierzu ist die Ausführung auf der Auskopplungsseite, wo das zu versorgende Gerät PD zwischen Anzapfungen der Primärseite der Übertrager T3 und T4 und hierzu Widerstände R3 bzw. R4 parallel liegen.
Bei Phantomschaltungen werden Übertrager verwendet, die einen relativ großen Raumbedarf - insbesondere eine große Bauhöhe - und hohe Kosten im Vergleich zu anderen elektronischen Stan- dard-Bauelementen aufweisen.
Es sind Lösungen bekannt, die zur Einkopplung der Speisespannung die Leitungs-Abschluss-Widerstände nutzen. Diese Lösungen haben den Nachteil, dass sie einen relativ schlechten Wirkungsgrad (ca. 70%) aufweisen. Dies kann bei kleinen
Verbraucherleistungen durchaus ausreichend sein, insbesondere, wenn der äußerst geringe Aufwand für die Schaltung in Rechnung gestellt wird. Bei größeren Verbraucherleistungen sind aber Lösungen mit geringeren Verlustleistungen wün- sehenswert.
Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die Leitungs- Abschluss-Widerstände nicht immer frei verfügbar sind, weil sie z.B. von der Sendeendstufe (Tx) als Innen-Widerstand (Se- rien-Widerstand) genutzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Stromeinspeisung von Endgeräten in einem lokalen Netz über die Datenleitungen anzugeben, die sich insbesondere durch geringe Baugröße und niedrige Kosten sowie eine geringe Verlustleistung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, zur Raum- und/oder Kostenersparnis die Übertrager durch passive oder aktive elektronische Lösungen zu ersetzen.
In der vorgeschlagenen Lösung erfolgt die Signalein- bzw. Signalauskopplung (Tx, Rx) kapazitiv.
Die Speisespannungseinkopplung erfolgt über die "Anpassungs"- Schaltungen, die aus elektronischen, aktiven und/oder passiven, Bauelementen bestehen. Gegebenenfalls können die Ab- schluss-Widerstände der Leitungen in die Anpassungs-Schaltungen mit einbezogen werden. Die Anpassung muss in der Weise erfolgen, dass die Signalübertragung (Rx, Tx) nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Die Speisespannungs-Auskopplung erfolgt sinngemäß ebenso.
Die im folgenden beschriebene Lösung beschränkt sich aus prinzipiellen Gründen, im Hinblick auf den Unterschied zwischen Quelle und Senke, auf die Strom-Einspeisung (Quelle) , also auf das sog. Power Sourcing Equipment (PSE) .
Ein wesentlicher Gedanke der konkreten Ausführung besteht darin, die Einkopplung der Speisespannung mittels elektronischer Drosseln vorzunehmen. Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
Fig. 1 eine herkömmliche Phantomspeisung über die Datenleitungen in einem 4-Draht-LAN,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführung der Erfindung,
Fig. 3 das Prinzip einer mit diskreten Schaltungsmitteln realisierten elektronischen Speise-Drossel und
Fig. 4 eine Stromeinspeisungs-Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei einem 4-Draht-LAN.
Fig. 2 zeigt - in Anlehnung an die Darstellung von Fig. 1 - eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Spannungsversorgungseinrichtung wieder mit PSE und das zu versorgende Gerät mit PD und die Empfangs- und Sendeseiten mit Rx und Tx bezeichnet sind. Auch die Bezeichnung der an den jeweiligen Empfangs- bzw. Sendeseiten zwischengeschalteten Widerstände als Rl bis R4 entspricht Fig. 1.
Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass zur Signalein- bzw. -auskopplung auf der Empfangs- bzw. Sendeseite in den einzelnen Leitungen Koppelkondensatoren Cll bis C42 vorgesehen sind. Eine zweite wesentliche Abweichung von der her- kömmlichen Ausführung besteht in der jeweils empfangs- sowie sendeseitigen Zwischenschaltung einer elektronischen Anpassungsschaltung ADl, AD2 zwischen die Stromversorgungseinrichtung PSE und die zugehörigen Leitungsabschnitte Ll, L2 bzw. L3, L4 bzw. von entsprechenden Anpassungsschaltungen AD3, AD4 zwischen die entsprechenden auskopplungsseitigen Leitungsabschnitte und das zu versorgende Gerät PD.
Das Prinzip einer mit diskreten Schaltungsmitteln realisierten elektronischen Speise-Drossel - also mit gleichstromführenden Eigenschaften - ist an sich bekannt; vgl. dazu Fig. 3. Dargestellt ist die Ausführung mit PNP-Transistor . Die Ausführung mit NPN-Transistor ist analog. Da diese Figur selbst- erklärend ist, ist eine zusätzliche Beschreibung hier verzichtbar.
Prinzipiell wird bei einem 4-Draht-LAN auf der speisenden Seite (Quelle) eine elektronische Speise-Drossel je Draht eingesetzt.
Fig. 4 zeigt eine konkrete Ausführung der Spannungseinkopp- lungs-Seite, wobei die Richtung zu einem zu versorgenden Gerät PD mit einem entsprechend bezeichneten Pfeil symbolisiert ist. Die Spannungsversorgungseinrichtung PSE stellt eine Speisespannung Usp bereit.
Wie bereits in Fig. 2 gezeigt, sind vier Kupplungskondensatoren Cll bis C22 auf der Empfangsseite Rx bzw. der Sendeseite Tx zu einer kapazitiven Signaleinkopplung vorgesehen. Auf der Sendeseite ist in jeder Leitung ein Treiber Dl bzw. D2 mit nachgeschaltetem komplexem Widerstand Z/2 vorgesehen. Im Ausgangsbereich der Einkopplungsseite ist ein die Empfangs- und Sendeseite Rx, Tx verbindendes Widerstands-Netzwerk aus zwei komplexen Widerständen Z/2 und zwei ohmschen Widerständen R3, R4 vorgesehen. Die eigentlichen Anpassungsschaltungen - zum Ersatz des früheren Übertragers - sind durch vier Transistoren Tl bis T4 gebildet, wobei die empfangsseitige Anpassung mit PNP-Tran- sistoren Tl, T2 und die sendeseitige Anpassung mit NPN-Tran- sistoren T3, T4 realisiert ist. Die der Speisespannungsquelle Usp benachbarten Knoten des Netzwerkes sind jeweils über Kondensatoren C mit der Basis der Transistoren verbunden, während eine Verbindung mit den Emittern der Transistoren Tl, T2 bzw. T3, T4 jeweils über intrinsische Widerstände RE herge- stellt wird. Basis und Kollektor der Transistoren Tl, T2 bzw. T3, T4 sind jeweils über einen Widerstand Rl miteinander und schließlich mit den beiden Leitungen Ll, L2 auf der Empfangsseite bzw. L3, L4 auf der Sendeseite verbunden. Die Transistoren Tl, T2 und T3, T4 bilden jeweils elektronische Dros- sein.
Beispielhaft werden 4 elektronische Drosseln eingesetzt, von denen jeweils 2 Drosseln (T1/T2 und T3/T4) komplementär zueinander ausgelegt sind. Die positive Speisespannung +Usp wird über die Transistoren Tl und T2 und die negative Speisespannung -Usp über die Transistoren T3 und T4 in die jeweiligen Leitungspaare eingespeist. Da sich die elektronischen Drosseln bei geeigneter Dimensionierung dynamisch hochohmig verhalten, ist nur eine geringe Beeinflussung der Signalpegel zu verzeichnen.
Es werden keine speziellen Symmetrie-Anforderungen an die elektronischen Drosseln gestellt; die Symmetrie wird automatisch durch die symmetrische Strom-Auskopplung des Endgerätes hergestellt. Durch die Fähigkeit der elektronischen (Speise-) Drosseln zur selbsttätigen ("automatischen") Anpassung an den Strombedarf werden gegebenenfalls Unsymmetrien, die durch die Leitungspaare entstehen, ausgeglichen. Daher können auch elektronische Drosseln mit Transistoren gleicher Polarität oder Mischformen eingesetzt werden, da jede der 4 elektronischen Drosseln völlig eigenständig arbeitet.
Da die elektrischen Eigenschaften der elektronischen Drosseln - eine genügend hohe Stromverstärkung der Transistoren vorausgesetzt - nur von der Dimensionierung der Drosseln abhängt, sollten die Drosseln identisch dimensioniert werden, um asymmetrische Belastungen der Leitungspaare zu vermeiden.
Die elektronischen Drosseln müssen prinzipiell so dimensioniert werden, dass der Spannungsabfall über dem jeweiligen Transistor (Tl ... T4) etwas größer ist als die Summe aus maximaler Signalspannungs-Amplitude und Transistor-Sättigungs- Spannung. Der erforderliche Spannungsabfall kann durch die
Dimensionierung der Widerstände Rl und R2 eingestellt werden. Die Sättigung der Transistoren muss unbedingt vermieden werden, da sonst eine massive Begrenzung der Nutz-Signal-Amplitude erfolgt. Der Eingangswiderstand jeder elektronischen Drossel entspricht in etwa dem Wert von Rl, solange die Sättigung der Transistoren vermieden wird.
Da im LAN an die Quelle (PSE) auch Endgeräte mit externer Stromversorgung angeschlossen werden können, also Geräte, die nicht über die Leitungen gespeist werden, muss durch die elektronischen Drosseln ein (geringer) dauernder Gleichstrom fließen, damit eine Sättigung der Transistoren in diesem Fall vermieden wird. Dieser Strom wird durch den Widerstands-Quer- zweig Z/2, Z/2, R3, R4 sichergestellt.
Auf der Empfangsseite (Rx) kann im allgemeinen - wie hier auch dargestellt - der notwendige Leitungsabschluss-Wider- stand Z durch Teilung in 2xZ/2 für diesen Zweck herangezogen werden. Auf der Sendeseite (Tx) ist dies im allgemeinen nicht möglich, da der Leitungsabschluss durch Serien-Widerstände des Sendetreibers realisiert wird. Daher sind hier die Widerstände R3 und R4 erforderlich.
Die Widerstandswerte von R3 und R4 sollten so groß wie möglich gewählt werden, da ihre Summe parallel zum Tx-Leitungs- abschluss wirksam wird. Andererseits bestimmt der Widerstandswert die Höhe des Querstroms. Hier ist ein Minimalwert erforderlich, um den Spannungsabfall der elektronischen Drossel-Transistoren - auch im dynamischen Sendebetrieb - außerhalb der Sättigungsspannung zu halten (siehe oben) .
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf dieses Ausfüh- rungsbeispiel beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Derartige Abwandlungen sind insbesondere hinsichtlich des Typs der eingesetzten Transistoren sowie auch des Prinzips der Spannungseinkopplung möglich.
Bezugs zeichenliste
AD1...AD4 AnpassungsSchaltung , .C42 Koppelkondensator
Dl, D2 Treiber
Ll...L4 Signalleitung des LAN
PD Endgerät
PSE Stromversorgungseinrichtung
Rl...R4, RE ohmscher Widerstand
Rx Empfangsseite
T; Tl... T4 Transistor
Tx Sendeseite
Ül...Ü4 Übertrager
Usp Speisespannung
Z komplexer Widerstand

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Stromeinspeisung in die Signalleitungen (Ll bis L4) eines lokalen Netzes zur Stromversorgung eines Endge- rätes (PD) , g e k e n n z e i c h n e t, d u r c h aktive und/oder passive elektronische Mittel zur Speisespan- nungs-Einkopplung .
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung jeweils eine Anpassungsschaltung (ADl, AD2) zur Verbindung einer Stromversorgungseinrichtung (PSE) mit den Signalleitungen (Ll bis L4) des lokalen Netzes aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung, insbesondere die Anpassungs-Schaltungen (ADl, AD2), elektronische Drosseln (Tl bis T4) aufweisen, welche insbesondere Bipolartransistoren vom PNP- und/oder NPN-Typ umfassen.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung Ab- schluss-Widerstände der Leitungen (Ll bis L4) des lokalen Netzes umfassen.
5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in den Signalleitungen (Ll bis L4) Mittel (Cll bis C22) zur kapazitiven Signaleinkopplung vorgesehen sind.
6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass weiterhin elektronische Mittel zur Speisespannungs-Auskopp- lung zum Endgerät (PD) vorgesehen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Auskopplung An- passungsschaltungen (AD3, AD4) aufweisen, die zwischen die
Signalleitungen (Ll bis L4) des lokalen Netzes und das Endgerät (PD) geschaltet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Auskopplung, insbesondere die Anpassungs-Schaltungen (AD3, AD4), elektronische Drosseln aufweisen, welche insbesondere Bipolartransistoren vom PNP- und/oder NPN-Typ umfassen.
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung und wahlweise Speisespannungs-Auskopplung derart dimensioniert sind, dass sie sich dynamisch hochohmig verhalten, so dass eine vernachlässigbare Beeinflussung der Signalpegel auf den Signalleitungen (Ll bis L4) auftritt.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine symmetrische Strom-Auskopplung am Endgerät (PD) vorgesehen ist.
11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronischen Mittel zur Speisespannungs-Einkopplung derart ausgebildet sind, dass sie von einem geringen perma- nenten Gleichstrom durchflössen werden.
12. Anordnung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass den elektronischen Mitteln zur Speisespannungs-Einkopplung ein Widerstands-Netzwerk (Z/2, R3, R ) zur Verbindung mit den jeweiligen Signalleitungen (Ll bis L4) zugeordnet ist.
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