DE2535653A1 - Konstantspannungstransformator - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE D 59 Siegen

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Marburger Tor 2 - Postfach

DIPL-ING. ROLF PÜRCKHAUER ^{Telefon: (0271)54070}

Telegramm-Anschrift: Patschub. Siegen

-7. AUG. 1975 '

TELCON MAGNETIC CORES LIMITED, P.O. Box 12 Manor Royal Crawley, Sussex RHlO 2QH, England

Für diese Anmeldung werden die Prioritäten aus den britischen Patentanmeldungen Nr. 35766/74 vom 14. August 1974 und Nr. 7176/75 vom 20. Februar 1975 beansprucht.

Konstantspannungstransformator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Vorsehen einer stabilisierten elektrischen Wechselstromversorgung mit einer glatten Wellenform und einer relativ gleichförmigen Spannung aus dem Netz oder einer anderen Primärquelle, die einer Interferenz, einer Wellenformstörung und/oder Spannungsschwankung unterliegt, beispielsweise zur Versorgung einer empfindlichen elektronischen Einrichtung. Sie betrifft insbesondere ein Gerät derjenigen Gattung, bei welcher eine Sekundärspule, die einen Teil eines abgestimmten Induktanz-Kapazitäts-Krelses bildet, magnetisch mit einer Primärspule (mit der Primärquelle verbunden) in einer solchen Weise gekoppelt ist, daß sie im Schwingkreis bzw. abgestimmten Kreis einen oszillierenden Strom erzeugt, der groß ist im Vergleich zu jedem Strom, der in ihr von der Primärseite direkt induziert wird. Ein solches Gerät kann als stabilisierter Transformator oder als ein gepumpter magnetischer Oszillator angesehen werden, wobei jedoch in der nachfolgenden Beschreibung der Ausdruck "Konstantspannungstransformator" verwendet wird.

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Herkömmliche Konstantspannungstransformatoren beruhen auf stapelartig geschichteten, verschachtelten Magnetkernen, die üblicherweise einen Mittelschenkel, auf dessen entgegengesetzten Enden zwei Spulen sitzen, sowie zwei Außenschenkel aufweisen, die mit dem Mittelschenkel an jedem Ende durch ein Jochteilstück verbunden sind; magnetische Nebenschlüsse verbinden den Mittelschenkel mit jedem d.er Außenschenkel an einer Stelle zwischen den beiden Spulen, um den notwendigen Nebenschlußweg zu bilden, der normalerweise mit einem Luftspalt (oder einem anderen nicht-magnetischen Spalt) ausgebildet ist, dessen Abmessung die Ausgangswellenform stark beeinflußt und die effektive Induktanz des Resonanzkreises bestimmt.

Bei dieser Art von Gerät gibt der magnetische Nebenschluß der Sekundärspule eine wesentliche Selbstinduktanz, die ihre Abstimmung ermöglicht. Der Hauptmagnetkreis ist so ausgelegt, daß er in seinem Sättigungsbereich an den Spitzenwerten der Magnetisierung infolge des oszillierenden Stromes in der Sekundärspule arbeitet, und in* diesem Zustand wird ein wesentlicher Teil des Primärflusses durch den Nebenschluß geleitet, doch schaltet in Jedem der beiden niedrigen Magnetisierungsbereiche der Sekundär-Wellenform dieser Primärfluß auf den Niedrigreluktanz-Hauptkreis zurück, wobei er einen Spannungsimpuls liefert, der die Oszillation aufrechterhält, da der Stromkreis auf die Netzfrequenz abgestimmt ist.

Diese stapelartige Konstruktion hat eine Reihe von wesentlichen Nachteilen, nämlich

(1) sie kann nicht ohne weiteres für die Verwendung des wirksameren kornorientierten magnetischen Streifenmaterials eingerichtet werden, da dieses in gekrümmten Lamellen, die dem Magnetflußweg folgen, angeordnet werden muß.

(2) Der Luftspalt in den beiden magnetischen Nebenschlüssen muß der gleiche sein und ist schwer einzustellen.

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(3) Die Flächeninhalte der beiden magnetischen Nebenschlüsse können nicht unabhängig voneinander eingeregelt werden.

(M) Jede Konstruktion und Abmessung erfordert eigene Lamellen-Stanzwerkzeuge, die für nichts anderes verwendbar sind, und somit ist der Aufbau einer neuen Konstruktion ( um entweder einen Bereich zu erweitern^ oder ein Optimum im Kupfer:Eisen-Verhältnis infolge

von. relativen Preisänderungen wieder herzustellen) kostspielig.

Spezielle Konstruktionen aufgrund von U-förmigen "Halbkernen" aus gekrümmten kornorientierten Lamellen, die in speziellen Formen zusammengebaut sind, wurden bereits vorgeschlagen, doch überwinden diese nicht die anderen Lamellen der herkömmlichen Konstruktion und haben, soweit bekannt, nicht zu einer wirtschaftlichen Mengenproduktion geführt.

Ein erfindungsgemäßer Konstantspannungstransformator weist eine Primärspule, eine Sekundärspule, die an einem Abstimmkondensator liegt, einen magnetisch kontinuierlichen Magnetkern, der sowohl die Primärspule als auch die Sekundärspule verkettet, sowie einen magnetisch diskontonuierlichen Magnetkern (den Sekundär-Nebenschluß) auf, der die Sekundärspule, aber nicht die Primärspule verkettet bzw. koppelt. Vorzugsweise koppelt bzw. verkettet ein weiterer magnetisch diskontinuierlicher Magnetkern (der Primär-Nebenschluß) die Primärspule, aber nicht die Sekundärspule, doch wenn nur eine bescheidene Leistung erforderlich ist, so kann dieser eingespart werden.

Vorzugsweise sind die diskontinuierlichen Kerne oder ist jeder von ihnen ausreichend weit vom kontinuierlichen Kern auf Abstand gehalten, um Srwärmungseffekte zu vermeiden. Vorzugsweise werden beide oder alle Kerne aus gekrümmten Lamellen

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von kornorientiertem Material (d.h. einer Silizium-Eisen-Legierung) gebildet. Einfache "C-förmige" Kerne, die zwei C- oder U—förmige Teile aufweisen, die miteinander stoßverbunden sind, können verwendet werden und werden bevorzugt, wobei die Teile dicht aneinander gestoßen sind, damit sich eine magnetische Kontinuität ergibt, oder an ein Distanzstück von entsprechender Dicke gestoßen sind, um einen diskontinuierlichen Kern zu bilden. Vorzugsweise werden beide Verbindungsstellen eines diskontinuierlichen Kerns auf diese Weise mit einem Spalt versehen, wobei Jede' Notwendigkeit für eine spezielle Formgebung für die Kernteile vermieden wird. Der kontinuierliche Kern könnte natürlich ungeschnitten sein oder mit verschachtelten Verbindungsstellen ausgebildet sein, doch sind diese Alternativen kos-tspielig und nioht zu empfehlen.

Vorzugsweise wird die Sekundärspule mit einigen Anzapfungen versehen, um eine Einregelung der Ausgangsspannung zu ermöglichen. Die Primär- und Sekundärspulen befinden sich vorzugsweise auf entgegengesetzten Schenkeln des kontinuierlichen Magnetkerns, und der oder Jeder diskontinuierliche Kern ist vorzugsweise außerhalb des kontinuierlichen Kerns angeordnet. Die Kerne können allgemein koplanar sein, was auch "bevorzugt wird.

Der Ausgang der Sekundärspule des beschriebenen Konstantspann ungs tr ans for mat ore hat UnVollkommenheiten insofern, als (1) seine Spannung langsam ansteigt, aber beträchtlich mit steigender Eingangsspannung, und (3) seine Spannung fällt in dem Maße ab, wie der Laststrom zunimmt. Bei Konstantspannungstransformatoren mit stapelartigem Kern war es üblich, den Ausgang dadurch zu modifizieren, daß eine relativ kleine Spule (die ⁿKompensierungs^M-Spule) auf den gleichen Schenkel wie die Primärspule gewickelt und in Gegenreihenschaltung mit der Sekundärspule verbunden wurde» wobei die Anzahl der Windungen so gewählt wurde, daß die erste dieser Unvollkommenheiten kompensiert wurde.

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Diese Technik kann ggf. beim erfindungsgemäßen Transformator angewandt werden, doch hat sich nunmehr herausgestellt, daß eine,wirksamere Spannungskompensierung erzielt werden kann und die andere Unzulänglichkeit bei jenen Transformatoren gemäß der Erfindung, die einen Primär-Nebenschlußkern aufweisen, beseitigt werden kann, und zwar dadurch, daß eine Kompensierungsspule nur an den Primär-Nebenschlußkern gekoppelt und in Reihe mit mindestens einem Teil der Sekundärspule in Reihe geschaltet wird; der Spannungsausgang einer solchen Kompensierungsspule fällt, wie sich herausgestellt hat, langsam mit steigender Eingangsspannung ab, so daß eine Kompensierung eher durch Hinzufügen von Ausgängen als durch das Abziehen einer Kompensierungsspule erzielt wird, woraus sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt.

Es ist offensichtlich, daß die Querschnitte der verschiedenen Kerne unabhängig voneinander und willkürlich gewählt werden können, um besondere Bedingungen zu erfüllen, und daß die Abmessungen der Spalte in den diskontinuierlichen Kernen (wenn zwei verwendet werden) ebenfalls unabhängig voneinander ausgewählt werden können, und dies ermöglicht weitere Verbesserungen im Wirkungsgrad über diejenigen hinaus, die auf die Verwendung des wirksameren kornorientierten Materials zurückzuführen sind. Die wirksamsten Kerne gemäß der Erfindung sind in der Lage, mehr als das Doppelte der Ausgangsleistung eines sonst äquivalenten Konstantspannungstransformators des gleichen Gewichtes mit einem Stapelkern zu erzeugen.

Da C-förmige Kerne bereits in einer großen Vielfalt von Abmessungen fabriziert werden und ein großer Teil der Herstellungsmaschinerie eingestellt werden kann, um einen Bereich von Abmessungen zu erzeugen, ergeben sich keinerlei Werkzeugkosten bei der Herstellung neuer Konstruktionen von Konstantspannungstransformatoren gemäß der Erfindung.

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Der erfindungsgemäße Konstantspannungstransformator· arbeitet im wesentlichen in der gleichen V/eise wie der herkömmliche Apparat mit Stapelkernen, doch da die diskontinuierlichen Kerne, die erfindungsgemäß verwendet werden, niemals im Sättigungsbereich arbeiten, besteht eine kleine Differenz im Bereich der Äusgangswellenformen, die erzielt werden können. Im typischen Falle hat sich herausgestellt, daß für diskontinuierliche Kerne der gleichen Querschnitts fläche die beste Annäherung an eine sinusförmige Ausgangswellenform dann erzielt wird, wenn der Spalt im Primär-Nebenschluß beträchtlich größer ist als der Spalt im Sekundär-Nebenschluß, z.B. das Vierfache desselben beträgt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Pig. 1 eine schematische Darstellung eines Konstantspannungs· trans formators nach dem herkömmlichen Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematische und Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform von Konstantspannungs trans format or nach der Erfindung,

Fig. H eine schematische Darstellung, ähnlich der Fig. 3, einer verbesserten Ausführungsform gemäß der Erfindung, während die

Fign. 5 bis 7 graphische Darstellungen sind, welche die > Eigenschaften der Konstantspannungstransformatoren der Erfindung veranschaulichen.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, enthält die bekannte Ausführungsform eines Konstantspartnungstransformators eine Primärspule 1, die mit einer Stromquelle 2, wie beispielsweise den Wechseistromnetz, verbunden ist, sowie eine Sekundärspule 3, die mit der Last bzw. verbraucherstelle verbunden ist; ein Kondensator 5, der zur Last 4 parallelgeschaltet ist, stimmt die'Sekundärspule 3 ab. Die Spulen 1 und 3 sind durch einen Magnetkern 6 direkt

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gekoppelt, der einen Mittelschenkel 7» auf welchen die Spulen gewickelt sind, und zwei Außenschenkel 8 aufweist, die durch Joche 9 miteinander verbunden sind, um einen direkten Magnetflußweg 10 zu bilden. Zwei Hebenschlußbauteile 11 aus magnetischem Material verbinden den Mittelschenkel 7 und die äußeren Schenkel 8 miteinander an einer Stelle zwischen den beiden Spulen 1, 3, um NebenSchlußwege 12 zu bilden; es sei darauf hingewiesen, daß nicht-magnetische Luftspalte 13 in diesen Nebenschlußwegen vorgesehen sind, daß aber eine unabhängige Steuerung der Spalte in den ,beiden Nebenschlußwegen nicht zur Verfügung steht.

Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Konstantspannungstrans formator sind die Primär- und Sekundärspule 1 und 3 durch einen ersten C-förmigen Magnetkern 14 mit Stoßverbindungen direkt gekoppelt bzw. verkettet. Ein zweiter C-förmiger Magnetkern 16, der mit Distanzstücken zur Bildung von nicht-magnetischen Spalten 17 zusammengebaut ist, wirkt als ein Nebenschluß für den Sekundärfluß 18. Ein ähnlicher dritter C-förmiger Kern mit nicht-magnetischen Spalten 20 wirkt als ein Nebenschluß für den Primärfluß 21.

Pig. b zeigt eine abgeänderte und bevorzugte Ausführungsform eines Konstantspannungstransfοrmators, bei welchem der Ausgangsstrom, anstatt daß er direkt von der Sekundärspule 3 genommen wird, durch Verwendung einer Konrpensierungsspule 22 modifiziert wird, die nur durch die dritte (Primär-Nebenschluß) C-förmlge Magnetspule 19* gekoppelt ist. Diese Kompensierungsspule ist mit einer Anzapfung an der Sekundärspule 3, wie dargestellt, in Reihe geschaltet.

Bei beiden dargestellten Konstantspannungstransformatoren sind die drei Magnetkerne im Abstand voneinander angeordnet, um kleine Spalte 23 zu bilden; wenn sie sich berührten, würde V7ärme erzeugt und der Wirkungsgrad vermindert.

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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannungen Vo gegen die Spannung Vi, die an die Primärspule 1 angelegt wird; die Kurve 24 zeigt den Spannungsausgang (unter konstanter Nennlast) der Sekundärspule 3 selbst, die Kurve 25 den Spannungsausgang der Kompensierungsspule 22 und die Kurve 26 den an der Last anliegenden kompensierten Ausgang. Zum Vergleich ist Fig. 6 eine äquivalente graphische Darstellung, welche die herkömmliche Technik der Kompensierung unter Verwendung einer Kompensierungsspule mit der Ausgangskurve 27» gewickelt mit der Primärspule und dem Ausgang der Sekundärspule entgegenwirkend, veranschaulicht, um eine kompensierte Ausgangsspannungskurve 28 zu erhalten, die stets tiefer liegt als die unkorrigierte Kurve 24.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Ausgangspannung Vo gegen den Laststrom Io für konstante Eingangs spannung. Die Kurve 29 zeigt die Spannung, die aus der Sekundärspule 3 erhalten wird, und die Kurve 30 die Spannung, die aus der Kompensierungsspule 22 erhalten wird; diese werden kombiniert, um eine Ausgangsspannungskurve 31 zu ergeben. Es ist zu beobachten, daß die Kompensierungsspulenspannung langsam mit dem Laststrom ansteigt, wobei sie den Abfall der Sekundärspannung kompensiert, so daß die Ausgangsspannung im wesentlichen konstant bleibt, bis eine abrupte Abschaltung erreicht wird, oberhalb welcher keine nennenswerte Spannung erzielt werden kann. Somit eröffnet diese Ausführungsform der Erfindung die wertvolle Möglichkeit der Herstellung eines Transformators, der zur Erzeugung eines AusgangsStroms über eine Grenze hinaus, die leicht oberhalb seines normalen Laststrom liegt, unfähig ist.

Beispiel 1

Ein Konstantspannungstransformator gemäß der Erfindung mit einer Ausgangs-Nennleistung von 150 Watt, der einen nahezu sinusförmigen Ausgang von 140- 1,5 V bei 50 Hz. liefert, wenn er aus dem öffentlichen Versorgungsnetz mit 23O_ -jq y ^_ej[ gleicher

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Frequenz gespeist wird, weist eine Primärspule von 964 Win-

düngen aus emailliertem Kupferdraht von 0,25 nm , eine Sekundärspule von 482 Windungen aus emailliertem Kupferdraht von

0,4 mm , angezapft bei 250 Windungen, abgestimmt durch einen Kondensator von 28 Mikrofarad, sowie eine Kompensierungsspule von 140 Windungen aus Kupferdraht mit 0,4 mm", die mit der Sekundärspule in Reihe geschaltet ist.

Die drei Spulen sind durch einen genormten C-förmigen, orientierten Silizium-Eisen-Magnetkern mit einem Eisenquerschnitt von 613 mm und ein im wesentlichen rechteckiges Fenster mit den Abmessungen 63x22 mm gekoppelt bzw, verkettet; dieser Kern hat zwei plane, dicht gebundene verkittete Verbindungsstellen. Ein Primär-Nebenschlußkern, allgemein koplanar mit dem Hauptkern und mit einem Abstand von 1 mm von diesem entlang dem einen Schenkel, auf welchen die Primärspule und die Kompensierungsspule gewickelt sind, hat die Form eines wei-

teren C-förmigen Kerns mit einem Eisenquerschnitt von 200 mm und einem im wesentlichen rechteckigen Fenster mit den Abmessungen 63 x 16 mm; dieser Kern hat zwei plane Verbindungsstellen, die durch ein nicht-magnetisches isolierendes Distanzstück von 1 mm Dicke mit einem Spalt versehen sind, welches zwischen die benachbarten Seiten der Kernteile eingesetzt ist. Ein Sekundär-Nebenschlußkern ist symmetrisch zum Primär-Nebenschlußkern angeordnet und mit diesem identisch, ausgenommen, daß dessen Verbindungs-Distanzstücke eine Dicke von 0,3 mm haben. Dieses Beispiel ist von der durch die Fign. 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsform

Beispiel 2

Ein zweites Ausführungsbeispiel, das eine verbesserte Regulierung und Begrenzung des Ausgangsstromes zeigt, mit einer Nennleistung von 70 VA, enthält eine Primärspule von 1100

ρ Windungen aus emailliertem Kupferdraht von 0,125 mm , eine Se-

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kundärspule· von 900 Windungen aus emailliertem Kupferdraht von

ρ
0,25 mm , angezapft bei 350 Windungen, sowie eine Kompen-

2 sierungsspule mit 100 Windungen aus Draht von 0,025 nun . Ein Kondensator von 8 Mikrofarad ist parallel zur Sekundärspule geschaltet, wobei der Ausgang von der Anzapfung über die in Reihe geschaltete Kompensierungsspule genommen wird.

Die Primär- und Sekundärspule sind durch einen genormten kornorientierten Silizium-Eisen-C-Kern gekoppelt bzw. verkettet, der ein rechteckiges Fenster von 67 x 19 mm und eine

2
Querschnitts fläche von 345 mm aufweist; die beiden Hälften dieses Kerns sind dicht aneinander gehalten, so daß kein Spalt zwischen den Schnittflächen verbleibt. Ein identischer Kern ist nur über die Sekundärwicklung gekoppelt bzw. verkettet, um als Sekundär-Nebenschluß zu wirken, doch sind 0,5 mm dicke nicht-magnetische Distanzstücke zwischen den Schnittflächen eingefügt, um einen Luftspalt zu bilden.

Ein ähnlicher Kern, doch mit reduziertem Querschnitt von

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285 mm , ist als ein Primär-Nebenschluß zusammengebaut, der die Primär- mit der Kompensierungsspule koppelt bzw. verkettet. Dieser Kern hat ebenfalls ein nicht-magnetisches Distanzstück von 1,5 mm Dicke, welches zwischen den Hälften sitzt. Der Primär-Nebenschluß und der Sökundär-Nebenschluß sind je 1 mm vom Hauptkern entfernt angeordnet. Die Ausführungsform dieses Beispiels ist in Fig. 4 dargestellt.

Dieser Konstantspannungstransformator wird, wenn er mit einem Netz zwischen I80 und 250 Volt und 50 Hz verbunden ist, einen Ausgang zwischen 109 und 111 Volt für jeden Laststrom bis zu 0,6 A halten. Bei etwa 0,7 A wird die Ausgangsspannung plötzlich reduziert, so daß der Laststorm nicht über 0,8 A ansteigt, selbst dann nicht, wenn die Ausgangsklemmen kurzgeschlossen werden.

Patentansprüche

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Claims (9)

25356b3 - 11 -75 035 Kfl/A Patentansprüche

1. Konstantspannungstransformator nit einer Primärspule, einer Sekundärspule, die zu einem Abstimrnkondensator parallelgeschaltet ist, sowie mit einen magnetisch kontinuierlichen Magnetkern, der sowohl die Primärspule als auch die Sekundärspule koppelt bzw. verkettet, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisch diskontinuierlicher Magnetkern (16) die Sekundärspule (3) koppelt, aber nicht die Primärspule (1).

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer diskontinuierlicher Magnetkern (19) die Primärspule, aber nicht die Sekundärspule, koppelt bzw. verkettet.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide oder alle Magnetkerne aus gekrümmten Lamellen aus kornorientiertem Material bestehen.

4. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kontinuierliche Kern (1*0 ein Kern des C-Typs ist, wobei dessen Teile dicht gestoßen sind, und daß der oder jeder diskontinuierliche Kern (16,19) ein Kern des C-Typs ist, dessen Teile an ein Distanzstück gestoßen sind.

5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder diskontinuierliche Kern im Abstand vom kontinuierlichen Kern angeordnet ist,

6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und die Sekundärspule auf entgegengesetzten Schenkeln des kontinuierlichen Magnetkerns angeordnet· sind.

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7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder diskontinuierliche Magnetkern außerhalb des kontinuierlichen Magnetkerns angeordnet ist.

8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne allgemein koplanar sind.

9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Kompensierungsspule (22),die nur durch einen diskontinuierlichen Magnetkern gekoppelt bzw. verkettet ist, der die Primärspule, aber nicht die Sekundärspule, koppelt bzw« verkettet und mit mindestens einem Teil der Sekundärspule (3) in Reihe geschaltet ist.

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