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文檔簡介
電路和電路元件第一頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.概念:為了實(shí)現(xiàn)某種應(yīng)用目的,就需要將某些電工元件、電子器件或設(shè)備按一定的方式相互連接起來,就構(gòu)成了電路。基本特征:電路中存在著電流通路。
1.1.1電路
1.1電路和電路的基本物理量
第二頁,共五十六頁,2022年,8月28日2、電路的作用(1)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換
——強(qiáng)電電路或電力電路(2)信號的傳遞和處理
——弱電電路或電子電路3、電路的組成(1)電源:將非電形態(tài)的能量轉(zhuǎn)化為電能的供電設(shè)備(2)負(fù)載:將電能轉(zhuǎn)化為非電形態(tài)的能量的用電設(shè)備(3)中間環(huán)節(jié):溝通電路、輸送電能第三頁,共五十六頁,2022年,8月28日電源:
提供電能的裝置負(fù)載:取用電能的裝置中間環(huán)節(jié):傳遞、分配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機(jī)電爐...輸電線電力系統(tǒng)電路示意圖第四頁,共五十六頁,2022年,8月28日直流電源直流電源:
提供能源信號處理:放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載信號源:
提供信息放大器揚(yáng)聲器話筒電源或信號源的電壓或電流稱為激勵,它推動電路工作;由激勵所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。擴(kuò)音機(jī)電路示意圖第五頁,共五十六頁,2022年,8月28日電路元件的理想化在一定條件下突出元件主要的電磁性質(zhì),忽略其次要因素,把它近似地看作理想電路元件。這些理性元件就是實(shí)際電路元件的元件模型。為什么電路元件要理想化?
便于對實(shí)際電路進(jìn)行分析和用數(shù)學(xué)描述,將實(shí)際元件理想化(或稱模型化)。
1.1.2電路元件和電路模型
第六頁,共五十六頁,2022年,8月28日一種實(shí)際元件可用一種或幾種理性電路元件的組合來表示。電磁性能相近的實(shí)際元件,也可用同一種理想電路元件近似表示。(所有的電阻器、燈泡、電烙鐵等,都可用電阻元件來表示)電阻元件——只有電阻特性(將電能轉(zhuǎn)換成熱能)電感元件——只有電感特性(將電能轉(zhuǎn)換成磁場能量)電容元件——只有電容特性(將電能轉(zhuǎn)換成電場能量)第七頁,共五十六頁,2022年,8月28日
根據(jù)實(shí)際電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求,應(yīng)當(dāng)用不同的電路模型描述同一實(shí)際電路?,F(xiàn)在以線圈為例加以說明。
線圈的幾種電路模型
(a)線圈的圖形符號(b)線圈通過低頻交流的模型
(c)線圈通過高頻交流的模型第八頁,共五十六頁,2022年,8月28日手電筒的電路模型UI開關(guān)E+-R0R干電池電阻電路模型實(shí)際電路中的各種元件用對應(yīng)的模型表示后,即構(gòu)成實(shí)際電路的電路模型。實(shí)際上就是一些理性電路元件相互聯(lián)結(jié)而構(gòu)成的電路整體,它是實(shí)際電路的一種等效表示,有時(shí)也稱為等效電路。第九頁,共五十六頁,2022年,8月28日
1.1.3電流、電壓及其參考方向
1.電流
電荷的定向運(yùn)動形成電流。習(xí)慣上把正電荷運(yùn)動的方向規(guī)定為電流的方向。2.電位、電壓和電動勢電位:電場中某點(diǎn)的電勢,它在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從某點(diǎn)移至無窮遠(yuǎn)處所做的功。電場無窮遠(yuǎn)處的電位被認(rèn)定為0。作為衡量電場中各點(diǎn)電位的參考點(diǎn)。工程上常選與大地相連的部件(如機(jī)殼)作為參考點(diǎn),在沒有與大地相連的部件的電路中,通常選取許多元件的公共點(diǎn)作為參考點(diǎn),并稱為“地”。在電路分析中,可選電路中任意點(diǎn)作為各節(jié)點(diǎn)的參考點(diǎn)。參考點(diǎn)用接地符號“|”標(biāo)出。第十頁,共五十六頁,2022年,8月28日電壓:電場力將單位正電荷從a點(diǎn)移動到b電所作的功,就是a,b兩點(diǎn)間的電壓。R-a+bUab電壓的單位:伏特,符號:V電壓又叫電壓降,或簡稱壓降,它指向電壓降低的方向。電路中任意兩點(diǎn)(假設(shè)為a,b兩點(diǎn))間的電壓,等于這兩點(diǎn)的電位差。
電動勢:衡量電源內(nèi)局外力克服電場力移動電荷做功的物理量。它在數(shù)值上等于局外力把單位正電荷在電源內(nèi)部由低電位移動到高電位所做的功。用字母E表示,單位與電壓相同,其方向?yàn)殡娢簧叩姆较?。第十一頁,共五十六頁?022年,8月28日電壓和電流的方向?qū)嶋H方向參考方向電流、電動勢、電壓的實(shí)際方向
物理量單位實(shí)際方向電流
IA、kA、mA、μA正電荷移動的方向電動勢
EV、kV、mV、μV電源驅(qū)動正電荷的方向電壓
UV、kV、mV、μV電位降低的方向
3.電流、電壓的參考方向第十二頁,共五十六頁,2022年,8月28日問題
在復(fù)雜電路中難于判斷元件中物理量的實(shí)際方向,如何解決?(1)在解題前任選某一個方向?yàn)閰⒖挤较颍ɑ蚍Q正方向);
(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定實(shí)際方向:若計(jì)算結(jié)果為正,則實(shí)際方向與參考方向一致;若計(jì)算結(jié)果為負(fù),則實(shí)際方向與參考方向相反。(2)根據(jù)電路的定律、定理,列出物理量間相互關(guān)系的代數(shù)表達(dá)式;解決方法參考方向在分析計(jì)算時(shí)人為規(guī)定的方向。第十三頁,共五十六頁,2022年,8月28日
在進(jìn)行電路分析計(jì)算時(shí),電流的實(shí)際方向有時(shí)難以確定,這時(shí)我們可以預(yù)先假設(shè)一個電流方向,并在電路中用箭頭表示出來。這個假設(shè)的電流方向就是電流的參考方向。
在計(jì)算中,可按假定的電流方向進(jìn)行計(jì)算求解,如果計(jì)算結(jié)果為正,表示電流實(shí)際方向與假設(shè)(參考)方向相同;否則,與參考方向相反。電流的參考方向第十四頁,共五十六頁,2022年,8月28日電壓的參考方向在實(shí)際分析時(shí),當(dāng)兩點(diǎn)間電壓的實(shí)際方向難以判別時(shí),我們必須先假設(shè)(指定)一個方向(極性),這個人為指定的方向,就是電壓的參考方向。電壓的參考方向用+,-極性表示,從+端指向-端,也可用箭頭表示,箭頭所指方向表示電位下降的方向,還可以用雙下標(biāo)表示。如計(jì)算的結(jié)果為正,說明電壓的實(shí)際方向與參考方向與參考方向相同;否則相反。第十五頁,共五十六頁,2022年,8月28日注意:在參考方向選定后,電流(或電壓)值才有正負(fù)之分。若I=5A,則電流從a流向b;若I=–5A,則電流從b流向a
。abRIabRU+–若U=5V,則電壓的實(shí)際方向從a指向b;若U=–5V,則電壓的實(shí)際方向從b指向a
。例題第十六頁,共五十六頁,2022年,8月28日每個二端元件,電壓、電流的參考方向應(yīng)如何取?理論上,愛咋樣取,就咋樣取。不過,有大家習(xí)慣的取法。關(guān)聯(lián)參考方向第十七頁,共五十六頁,2022年,8月28日
對于二端元件而言,電壓的參考極性和電流參考方向的選擇有四種可能的方式,如圖下所示。習(xí)慣的取法:取關(guān)聯(lián)參考方向第十八頁,共五十六頁,2022年,8月28日如果某個元件或某一段電路,它的電流為i,電壓為u,并且電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián),則功率為p,它的計(jì)算公式:
p=ui單位為瓦特,簡稱瓦。符號:W。如計(jì)算的結(jié)果為正,表示該元件或該段電路吸收功率;否則為輸出功率(輸出電能)。工程上常用度作為電能的單位。1度=1kw*1h=3.6Mj
1.1.4電路的功率
第十九頁,共五十六頁,2022年,8月28日在電路中,存在著電能的消耗、磁場能量的儲存、電場能量的儲存及這三種能量的轉(zhuǎn)換過程。而表征著三種物理性質(zhì)的電路參數(shù)就是:電阻、電感、電容。我們這里只討論理想元件,也就元件模型,它是只含有一個電路參數(shù)的元件,分別是電阻、電感、電容。這些理想元件是對實(shí)際電路元件的一種抽象,實(shí)際電路元件可以用他們的組合來表示。
1.2電阻、電感和電容元件第二十頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.2.1電阻元件RibaRu2.特性曲線:
(1)線性電阻的伏安特性曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。ui0
(2)非線性電阻的伏安特性曲線是一條曲線。
(3)某時(shí)刻u由該時(shí)刻i確定,而與過去的電流值大小無關(guān)。
即:u=Ri
R是無記憶元件
1.表征消耗電能轉(zhuǎn)換成其它形式能量的物理特征。3.功率:
P=UI=RI2>0
∴R是耗能元件
i0R=常數(shù)
第二十一頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.2.2電容元件C
1.定義:表征儲存電場能的物理特征。
qCucic
2.特性曲線
線性電容的庫伏特性曲線
uc0q3.電壓、電流關(guān)系
icCuc表明:某一時(shí)刻iC取決于該時(shí)刻uC變化率。
第二十二頁,共五十六頁,2022年,8月28日
1.定義:表征儲存磁場能的物理特征
iLLuL2.特性曲線
線性電感的韋安特性曲線
ψ0iL3.電流、電壓關(guān)系
表明:某一時(shí)刻uL取決于該時(shí)刻iL的變化率。
iLLuL1.2.3電感元件L第二十三頁,共五十六頁,2022年,8月28日電阻器:有多種類型,對于一般應(yīng)用,可以認(rèn)為線性、是理想電阻。它的主要參數(shù):電阻值、精度(阻值偏差)、額定功率等。電阻值有一個標(biāo)準(zhǔn)系列,應(yīng)該在這個系列中選用。電感器:是用導(dǎo)線繞制而成的線圈,有些含有鐵心,叫做鐵心線圈,線圈中加入鐵心可以增加電感的值,但會導(dǎo)致非線性;有些含有磁芯,它用于高頻還有些是空心的,叫做空心電感(線圈)。電感器不是理想電感,它除電感值外,還有一定的電阻值,相當(dāng)于是電感與電阻的串聯(lián)。主要參數(shù)為:電感值、額定電流。超過額定電流,就不是線性特性了。1.2.4實(shí)際元件第二十四頁,共五十六頁,2022年,8月28日電容器:通常是由絕緣介質(zhì)隔開的兩個金屬導(dǎo)體極板構(gòu)成。種類也很多。主要參數(shù):電容量、額定電壓。超過額定電壓,可能會被損環(huán)。選用時(shí),依據(jù)不同情況選用不同的電容器。例如,一般的濾波電容選用電解電容,慮除高頻噪聲,可選用瓷片電容,獨(dú)石電容、膽電容等;在測量中需要高穩(wěn)定性是可選用聚丙烯電容。電力系統(tǒng),則使用電力電容器等。元件的并聯(lián)與串聯(lián)(P9表)第二十五頁,共五十六頁,2022年,8月28日串、并聯(lián)的概念清楚,靈活應(yīng)用。R=4∥(2+3∥6)=2
R=(40∥40+30∥30∥30)=303040403030ooR4030304030ooR例2例14236ooR第二十六頁,共五十六頁,2022年,8月28日電源所提供的電壓或電流完全由電源本身來決定。在實(shí)際電路中,電能或電信號的發(fā)生器稱為電源(激勵、輸入),用電設(shè)備稱為負(fù)載。由激勵而在電路中產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)(輸出)。1.3獨(dú)立電源元件第二十七頁,共五十六頁,2022年,8月28日描述元件提供的電壓與通過元件的電流無關(guān)的物理現(xiàn)象。
E直流us直流或交流us(2)基本性質(zhì)無論流過元件的電流值大小、方向如何,其端電壓總保持為給定的US或us(t)。電壓源中電流由外電路決定。
(3)特性曲線
usi外電路u0Usi(1)符號:1.3.1電壓源第二十八頁,共五十六頁,2022年,8月28日描述元件提供的電流與其端電壓完全無關(guān)的物理現(xiàn)象。IsIsisis直流交流(2)基本性質(zhì)
無論電流源的端電壓值大小、方向如何,總保持給定的Is
或is(t)。電流源的端電壓由外電路決定。uiS外電路0Isui(1)符號:
1.3.2電流源(3)特性曲線
第二十九頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.3.3實(shí)際電源實(shí)際的電源與理想電源有一定的差別,主要表現(xiàn)在,當(dāng)外接電阻變化時(shí),電源提供的電壓和電流都會變化。
如果負(fù)載變化時(shí),輸出電壓變化很小,它就比較接近理想電壓源。電流變化很小,就接近理想電流源。
為了準(zhǔn)確的表示實(shí)際電源的特性,一般是采用兩種電路模型:電壓源模型和電流源模型。
第三十頁,共五十六頁,2022年,8月28日電流源模型
IS為實(shí)際電源的短路電流值
R+-USIU+-R0RR0`ISI+-U電壓源模型
US等于實(shí)際電源的開路電壓值實(shí)際電源的這兩種模型是等效,相互之間可以進(jìn)行等效變換。Is=Us/R0R0=R0`按此選擇參數(shù),圖示實(shí)際電源的兩種電路模型便可相互替換。等效關(guān)系只是對外電路而言,至于電源內(nèi)部并不等效。第三十一頁,共五十六頁,2022年,8月28日圖半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號
陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅
c
平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼
a點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線
b面接觸型
符號陰極陽極
D1.4半導(dǎo)體二極管1.4.1基本結(jié)構(gòu)和符號第三十二頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.4.2伏安特性特點(diǎn):非線性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降
外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿,失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性?.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。第三十三頁,共五十六頁,2022年,8月28日二極管的單向?qū)щ娦?/p>
1.二極管加正向電壓(正向偏置,陽極接正、陰極接負(fù))時(shí),二極管處于正向?qū)顟B(tài),二極管正向電阻較小,正向電流較大。
2.二極管加反向電壓(反向偏置,陽極接負(fù)、陰極接正)時(shí),二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài),二極管反向電阻較大,反向電流很小。
3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿,失去單向?qū)щ娦浴?/p>
4.二極管的反向電流受溫度的影響,溫度愈高反向電流愈大。第三十四頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.4.3主要參數(shù)1.
最大整流電流
IOM二極管長期使用時(shí),允許流過二極管的最大正向平均電流。2.
反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓,一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?,甚至過熱而燒壞。3.
反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大,說明管子的單向?qū)щ娦圆?,IRM受溫度的影響,溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小,鍺管的反向電流較大,為硅管的幾十到幾百倍。第三十五頁,共五十六頁,2022年,8月28日
二極管電路分析舉例
定性分析:判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則,正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法:將二極管斷開,分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽
>V陰或UD為正(正向偏置),二極管導(dǎo)通若V陽
<V陰或UD為負(fù)(反向偏置),二極管截止
若二極管是理想的,正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零,反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。第三十六頁,共五十六頁,2022年,8月28日電路如圖,求:UAB
V陽
=-6VV陰=-12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB=-6V
否則,UAB低于-6V一個管壓降,為-6.3V或-6.7V例1:
取B點(diǎn)作參考點(diǎn),斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。
在這里,二極管起鉗位作用。
D6V12V3kBAUAB+–第三十七頁,共五十六頁,2022年,8月28日兩個二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn),斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽
=-6V,V2陽=0V,V1陰
=V2陰=-12VUD1=6V,UD2=12V
∵
UD2>UD1
∴D2優(yōu)先導(dǎo)通,D1截止。若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB
=0V例2:D1承受反向電壓為-6V流過D2
的電流為求:UAB
在這里,D2起鉗位作用,D1起隔離作用。
BD16V12V3kAD2UAB+–第三十八頁,共五十六頁,2022年,8月28日14.3
穩(wěn)壓二極管1.符號
UZIZIZMUZ
IZ2.伏安特性
穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻
穩(wěn)壓管反向擊穿后,電流變化很大,但其兩端電壓變化很小,利用此特性,穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO第三十九頁,共五十六頁,2022年,8月28日3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ
穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)u環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小,曲線愈陡,穩(wěn)壓性能愈好。第四十頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.5
半導(dǎo)體三極管1.5.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號:BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管第四十一頁,共五十六頁,2022年,8月28日基區(qū):最薄,摻雜濃度最低發(fā)射區(qū):摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn):集電區(qū):面積最大第四十二頁,共五十六頁,2022年,8月28日三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏
PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看:
NPN
發(fā)射結(jié)正偏VB>VE
集電結(jié)反偏VC>VB
第四十三頁,共五十六頁,2022年,8月28日
特性曲線
即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線,是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn),反映了晶體管的性能,是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線:
1)直觀地分析管子的工作狀態(tài)
2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設(shè)計(jì)性能良好的電路
重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線第四十四頁,共五十六頁,2022年,8月28日
發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路
測量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++第四十五頁,共五十六頁,2022年,8月28日1.
輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓:硅管0.5V,鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓:
NPN型硅管
UBE0.6~0.7VPNP型鍺管
UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO第四十六頁,共五十六頁,2022年,8月28日2.輸出特性36IC(mA)1234UCE(V)912OIB=020A40A60A80A100A放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū):(1)放大區(qū)
在放大區(qū)有IC=IB
,也稱為線性區(qū),具有恒流特性。在放大區(qū),發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置,晶體管工作于放大狀態(tài)。第四十七頁,共五十六頁,2022年,8月28日(2)截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū),有IC0
。
在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置,集電結(jié)處于反向偏置,晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O飽和區(qū)截止區(qū)(3)飽和區(qū)
當(dāng)UCEUBE時(shí),晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū),IBIC,發(fā)射結(jié)處于正向偏置,集電結(jié)也處于正偏。
深度飽和時(shí),硅管UCES0.3V,
鍺管UCES0.1V。第四十八頁,共五十六頁,2022年,8月28日
主要參數(shù)1.電流放大系數(shù),直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí),
表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù),晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。注意:和
的含義不同,但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下,兩者數(shù)值接近。常用晶體管的
值在20~200之間。第四十九頁,共五十六頁,2022年,8月28日2.集-基極反向截止電流ICBO
ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動所形成的電流,受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–
ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO,所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。第五十頁,共五十六頁,2022年,8月28日4.
集電極最大允許電流ICM5.
集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降,當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時(shí),三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時(shí)的擊穿電壓U(BR)
CEO。6.
集電極最大允許耗散功耗PCM
PCM取決于三極管允許的溫升,消耗功率過大,溫升過高會燒壞三極管。
PC
PCM=IC
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