Gratis-Artikel: Softstart für Audioverstärker

Von Klaus-Peter Westrup (D)

Bei Netzteilen mit konventionellen Transformatoren wird der Einschaltspitzenstrom durch die magnetische Sättigung verursacht, Schaltnetzteile arbeiten mit Ladekondensatoren, die im Einschaltmoment fast wie Kurzschlüsse wirken.

Weil die Einschaltstromspitze den im Normalbetrieb fließenden Strom erheblich übersteigt, werden bestimmte Komponenten des Netzteils kurzzeitig stark belastet. Elektrische oder elektronische Geräte fallen deshalb fast immer im Einschaltmoment aus, so wie früher die wenig effizienten Glühlampen, die inzwischen ihren Platz für die sparsamen LED-Lampen geräumt haben.

Den Herstellern elektrischer und elektronischer Geräte (und den Lesern von Elektor!) ist diese Situation sicher nicht unbekannt. Wirksame Abhilfe lässt sich im Prinzip nur dadurch schaffen, dass der Einschaltstrom auf die eine oder andere Weise begrenzt wird.

Einschalten von Netztransformatoren

Die Höhe der Einschaltstromspitze hängt von der Induktion im Eisenkern des Transformators, von der Breite des Luftspalts und von den Verlusten in der Wicklung ab. Anders als vielleicht vermutet ist der Einschaltstrom dann am höchsten, wenn die Netzspannung exakt zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs geschaltet wird.

Mit etwas Mathematik lässt sich begründen, weshalb das so ist. Nachdem die Begleiterscheinungen des Einschaltvorgangs abgeklungen sind, beträgt die Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung und dem magnetischen Fluss 90°, was aus folgender Beziehung hervorgeht:

Diese Beziehung leitet sich aus dem Faradayschen Gesetz ab. Daraus folgt:

Der magnetische Fluss φ durchläuft beim Nulldurchgang der Netzwechselspannung das negative Maximum. Im stationären Dauerbetrieb des Transformators ist die Konstante C gleich Null.

Zum Zeitpunkt des Einschaltens ist dies jedoch nicht der Fall, denn der magnetische Fluss muss bei Null starten (vorausgesetzt der Eisenkern ist frei von Restmagnetismus). Wenn der Transformator zum Zeitpunkt t = 0 eingeschaltet wird, ist die Startbedingung des Magnetflusses durch die Konstante C definiert, sie hängt von folgenden Faktoren ab:

• Wert und Polarität des Restmagnetismus im Eisenkern
• Phase der anliegenden Wechselspannung
• Eigenschaften des Eisenkerns

Zusammenfassend gilt folgende Beziehung:

Wenn φ_rest = 0 ist, dann folgt für φ:

• Beim Einschalten der Netzspannung im Durchgang durch ihren Maximalwert: φ = φ_max

• Beim Einschalten der Netzspannung im Nulldurchgang: φ = 2 · φ_max

Der doppelt hohe magnetische Fluss treibt den Transformatorkern in die magnetische Sättigung, so dass die Induktivität der Wicklung gegen Null geht. Der Strom wird nur noch durch den ohmschen Widerstand der Wicklung und des Netzkabels begrenzt.

Die Einschaltstromspitze kann bis ungefähr 10 ms andauern. In der Praxis sind 3...6 ms realistisch, denn der Kern gerät nicht abrupt in die Sättigung, er braucht dafür einige Zeit. Nicht vergessen werden darf, dass noch ungefähr 4...10 Perioden der Netzwechselspannung vergehen, bis der magnetische Fluss und folglich auch der Wicklungsstrom die stationären Werte angenommen haben.

Lösungsansätze

Das Problem der Einschaltstromspitzen könnte gelöst werden, indem der Transformator immer nur in dem Moment an das Stromnetz gelegt wird, wenn die Netzspannung ihren Spitzenwert durchläuft. Es wäre zu überlegen, wie sich dies realisieren lässt.

Grundsätzlich ist das keine schlechte Idee, doch leider hat die Methode einen Haken: Der Restmagnetismus des Kerns muss zum Einschaltzeitpunkt immer Null sein, und das kann in der Praxis nicht garantiert werden. Es existieren zwar integrierte Schaltkreise, die den Restmagnetismus messen und gegensteuern, so dass Strombegrenzungswiderstände entbehrlich sind. Solche schaltungstechnischen Maßnahmen sind jedoch vergleichsweise komplex.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Transformator so zu dimensionieren, dass er nicht in die Sättigung geraten kann. Dieser Weg führt zwar ebenfalls zum Ziel, er ist aber mit höheren elektrischen Verlusten sowie höheren Investitionen verbunden. Außerdem steigen die mechanischen Abmessungen, was meistens nicht erwünscht ist.

Aus diesen praktischen Überlegungen wird hier eine andere Methode angewendet. Wegen ihrer kurzen Dauer kann die Einschaltstromspitze den Transformator nicht beschädigen, jedenfalls solange die Leistung im Rahmen bleibt. Die Lösung ist eine Einschaltstrombegrenzung, die entweder passiv oder aktiv arbeitet.

Tabelle 1 nennt die Größenordnungen der Einschaltströme, die bei mehr oder weniger schwergewichtigen Transformatoren auftreten. Daraus geht hervor, dass eine Einschaltstrombegrenzung bei Leistungen ab etwa 300 VA eigentlich unverzichtbar ist.

Passive Einschaltstrombegrenzung

Um den Einschaltstrom passiv zu begrenzen, kommen gewöhnlich leistungsstarke Vorwiderstände oder Thermistoren zum Einsatz. Thermistoren sind ebenfalls Widerstände, ihr Widerstandswert hängt jedoch stark von der Temperatur ab. Bekannt sind Thermistoren auch als NTC- und PTC-Widerstände.

Für die Begrenzung von Einschaltströmen sind nur NTC-Widerstände geeignet, dies sind Widerstände mit negativen Temperaturkoeffizienten. NTCs haben in kaltem Zustand höhere Widerstände als in warmem Zustand.

Bei ausschließlich passiver Einschaltstrombegrenzung liegt der Thermistor in Reihe mit der Last. Für den ausgeschalteten Zustand (Raumtemperatur) ist der Widerstandswert so dimensioniert, dass der Einschaltstrom auf einen sicheren, unschädlichen Wert begrenzt wird. Der Strom, der nach dem Einschalten durch den Thermistor fließt, heizt ihn auf, denn der Thermistor setzt elektrische Leistung in Wärme um. Der Widerstand sinkt, bis er schließlich nur noch wenige Ohm beträgt und der Strom seinen Nennwert erreicht (stationärer Betrieb). Die Einschaltstrombegrenzung mit Thermistoren wird allgemein als zuverlässig und kostengünstig angesehen.

Wichtige Parameter bei der Auswahl des Thermistors sind der Anfangswiderstand (in kaltem Zustand) sowie die Strombelastbarkeit. Der Widerstandswert muss so gewählt werden, dass der Laststrom auf einen Wert begrenzt wird, bei dem die Sicherung noch nicht auslöst und der für die Last verträglich ist.

Bei den folgenden Überlegungen zur Dimensionierung soll ein Transformator mit der Leistung 500 VA als Beispiel dienen, er ist durch eine im Gerät befindliche Sicherung mit I_smax = 10 A gesichert.

Der Kaltwiderstand des Thermistors ergibt sich aus:

Der Kaltwiderstand des Thermistors muss 30 Ω betragen. Jetzt ist noch der Strom zu berechnen, der im stationären (kontinuierlichen) Betrieb durch den Thermistor fließt. Dabei wird angenommen, dass der Transformator maximal belastet ist:

Der Strom auf der Eingangsseite des 500-VA-Transformators beträgt 2,2 A.

Zum Schluss soll noch die Energiemenge abgeschätzt werden, die der Thermistor unmittelbar nach dem Einschalten in Wärme umsetzt. Der Einschaltimpuls kann näherungsweise als rechteckförmig betrachtet werden, so dass das Produkt aus Leistung mal Zeit die gesuchte Energiemenge ergibt:

Im Datenblatt der Thermistoren S236 von TDK (siehe Bild 1) ist eine maximal zulässige Energiemenge als solche nicht angegeben.

Stattdessen wird eine maximal zulässige Lastkapazität C_test genannt, die an den Thermistor angeschlossen werden darf. Bei Schaltnetzteilen kann hier der Wert des Ladekondensators eingesetzt werden:

Wenn die Belastbarkeit eines einzelnen Thermistors nicht ausreicht, muss entweder auf einen leistungsstärkeren Typ zurückgegriffen werden, oder zwei Thermistoren werden in Reihe geschaltet (Achtung: Thermistoren dürfen nicht parallel geschaltet werden!). Wir haben uns hier für die zweite Option entschieden: Zwei Thermistoren 16 Ω in Reihe.

Nachteile

Die beschriebene passive Einschaltstrombegrenzung wird zwar häufig in der Unterhaltungselektronik angewendet, sie ist jedoch mit einigen misslichen Begleiterscheinungen behaftet.

An erster Stelle steht die Wärmeentwicklung: Obwohl der Warmwiderstand eines Thermistors nur 1/20 bis 1/10 des Kaltwiderstands beträgt, wird eine beträchtliche Leistung in Verlustwärme umgesetzt. In vorstehendem Beispiel sind es etwa 8 W. Solche Energieverschwendung ist schon allein wegen der Umwelt nicht erwünscht. Außerdem heizt sich der Thermistor auf eine hohe Temperatur auf, im Beispiel kann sie bei Nennlast bis 150 °C steigen.

Für den Betrieb des Gerätes bedeutet dies, dass das Gerät nicht sofort nach dem Ausschalten wieder eingeschaltet werden darf. Der Thermistor braucht mindestens eine Minute oder länger, um so weit abzukühlen, dass die Funktion der Strombegrenzung wieder gewährleistet ist.

Auch die Bauteile und Lötverbindungen in unmittelbarer Nähe sind der Wärmeentwicklung ausgesetzt, insbesondere zu Kunststoffteilen müssen ausreichende Sicherheitsabstände eingehalten werden.

Ein Relais ist die Lösung

In Bild 2 ist eine häufig angewendete Lösung für das Problem der Wärmeentwicklung dargestellt. Dem Netzteil ist ein Thermistor vorgeschaltet, parallel zum Thermistor liegt der Kontakt eines Relais. Der Kontakt schließt kurz nach dem Einschalten des Netzteils und überbrückt den Thermistor, so dass dort anschließend keine Wärmeverluste auftreten können. Zwar geht auch durch das Relais Leistung verloren (ca. 1 W), doch sie ist deutlich geringer als die Leistung 8 W oder höher bei der Version ohne Relais.

Häufig wird die Einschaltelektronik von einem kleinen Zusatztransformator mit Strom versorgt. Dadurch ist sie von der Stromversorgung des Gerätes unabhängig, so dass bereits ein kurzer Stromausfall zu einem sicheren Rücksetzen führt. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass der Netzschalter des Gerätes durch ein zweites Relais und einen Niederspannungsschalter ersetzt werden kann.

Nun zur Praxis

Nach den (hoffentlich lehrreichen) theoretischen Überlegungen ist es Zeit, zur Praxis überzugehen. Die Softstart-Schaltung, die wir in diesem Beitrag vorstellen, wurde ursprünglich für einen Audio-Leistungsverstärker mit Schaltnetzteil entwickelt. Zwar sind die Meinungen über den Einsatz von Schaltnetzteilen in Audioverstärkern geteilt, doch Schaltnetzteile können im Vergleich zu konventionellen linearen Netzteilen mit Ringkerntransformatoren einige überzeugende Vorteile vorweisen. Zum einen ist der Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen deutlich höher als bei linearen Netzteilen. Zum zweiten können wegen der geringeren Abmessungen kleinere und leichtere Leistungsverstärker realisiert werden, die sich unkompliziert in Lautsprecherboxen integrieren lassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Ausgangsspannung geregelt ist, so dass ein sicherer Wert auch bei wechselnden Lasten nicht über‑ oder unterschritten wird. Wenn das Schaltnetzteil mit Überlegung und Sorgfalt entworfen wurde, können extrem saubere Ausgangsspannungen das Ergebnis der Bemühungen sein.

Erwähnt sei noch, dass es auch Schaltnetzteile speziell für Audioanwendungen auf dem Markt gibt (siehe [1]).

Vom Blockschema...

Aus vorstehenden Überlegungen entstand ein Softstart-Modul, das von einem Mikrocontroller gesteuert wird. Der Mikrocontroller verhilft dazu, nützliche Ergänzungen ohne hohen Hardware-Aufwand zu realisieren. Ein Beispiel ist eine vom Audiosignal gesteuerte Autostart-Funktion, die den Verstärker einschaltet, sobald ein Audiosignal am Eingang liegt, und ihn abschaltet, wenn das Audiosignal für einige Zeit ausbleibt. Ein Infrarot-Empfänger ist ebenfalls integriert, mit ihm und einer passenden Fernbedienung kann die Lautstärke über ein Motorpotentiometer eingestellt werden. In Bild 3 ist das Blockschema des Softstart-Moduls dargestellt.

Die Steuerzentrale der Schaltung ist natürlich der Mikrocontroller, und obwohl er eine ganze Reihe von Aufgaben übernehmen muss, erfüllt ein vergleichsweise bescheidener ATtiny44 diesen Zweck. Die Netzspannung liegt links im Blockschema am Hilfstransformator, er versorgt das Softstart-Modul eigenständig mit Strom. Parallel dazu gelangt die Netzspannung über Relaiskontakte und den Thermistor zum Schaltnetzteil des Verstärkers (oben rechts).

Das Schaltnetzteil stellt die Betriebsspannungen V1+ und V1– für den Verstärker bereit, diese Spannungen sind zusätzlich über Relaiskontakt-Thermistor-Kombinationen gesichert. Daraus werden auf konventionellem Weg die Spannungen V2+ und V2– abgeleitet, mit denen ein Vorverstärker versorgt werden kann. Ferner liefert das Netzteil eine Hilfsspannung, mit der das Motorpotentiometer gesteuert wird.

...zur Schaltung

Die Schaltung des Softstart-Moduls ist in Bild 4 dargestellt. Die diversen Komponenten aus dem Blockschema sind hier unschwer wiederzuerkennen. Oben links (Anschlüsse K9, K1 und K11) befindet sich der Teil, der für die Netzspannung zuständig ist. An K1 liegt die Netzspannung für die Eigenversorgung des Softstart-Moduls, die über die Relaiskontakte und den Thermistor geführte Netzspannung des Schaltnetzteils liegt an K11.

K9 hat keine echte Funktion, sondern dient lediglich zum bequemen Durchschleifen der optionalen Schutzerdung (PE, Protective Earth).

Die Betriebsspannungen für den Verstärker, die vom Schaltnetzteil kommen, liegen als V+, GNDA und V– an K3. Ein lineares Spannungsregler-Paar 7818/7918 (IC2 und IC3) liefert zusätzlich die stabilisierten symmetrischen Betriebsspannungen +18 V und –18 V für einen optionalen Vorverstärker. V+ und V– gelangen über die Relais R3 und R4 als V+* und V–* zum Verstärker. Die grünen LEDs LED1 und LED2 dienen als Statusanzeige.

Das vom Autor verwendete Netzteil liefert ferner die Hilfsspannung V_AUX, mit der das Motorpotentiometer für die Lautstärkeeinstellung gesteuert wird. Diese Spannung wird über die Kontaktleiste K2 geführt und von den Halbleiterrelais IC6A und IC6B zum Motor durchgeschaltet.

Der Taster oder Schalter zum manuellen Ein- und Ausschalten wird zusammen mit einer Kontroll-LED an K5 angeschlossen, der Anschluss für den Infrarot-Empfänger ist K4.

Infrarot-Empfänger

Das Fernbedienen des Verstärkers über einen im Softstart-Modul integrierten Infrarot-Empfänger ist sicher eine willkommene Beigabe. Eine Hürde war die Entscheidung, welches Protokoll für die Infrarot-Datenübertragung in die Software implementiert werden soll. Die Typenvielfalt ist bei Infrarot-Fernbedienungen enorm, ebenso wie die Variationsbreite der zugehörigen Protokolle.

Aus diesem Grund hat der Autor die Idee aufgegeben, eine definierte Fernbedienung zu verwenden und die Software des Softstart-Moduls an das zugehörige Protokoll anzupassen. Stattdessen ist die Software so konzipiert, dass sie (in gewissen Grenzen) einige Befehle gängiger Infrarot-Fernbedienungen „lernen‟ kann.

Nach dem Motto „Keep it simple‟ unterstützt die Software nur drei Befehle, was aber für den Betrieb eines Audio-Leistungsverstärkers ausreicht:

• Ein/Aus
• Volumen +
• Volumen –

Wir haben einen handelsüblichen Infrarot-Empfänger verwendet, die Preise lohnen den Selbstbau nicht mehr. Hinzu kommt, dass diese Empfänger (siehe Bild 5) auch das empfangene Infrarot-Signal demodulieren und dekodieren, so dass es ohne Umweg von einem Mikrocontroller weiter verarbeitet werden kann. Zu diesem Thema (und anderen spannenden Themen) stehen auf der Website von Electronics-Base nützliche Informationen bereit.

Eine weitere Option ist der Anschluss eines Thermostat-Moduls an K7, das den Verstärker abschaltet, wenn die Temperatur im Gehäuse unzulässig ansteigt. Die Grenze kann bei etwa 60 °C angesetzt werden.

Die Software

Die Software wurde in Assembler für den ATtiny44 unter der Entwicklungsumgebung Studio 7 von Atmel/Microchip geschrieben. Die umfangreiche Hardware-Funktionalität des ATtiny44 und die hohe Speicherkapazität haben dazu beigetragen, dass eine kompakte Lösung für die Softstart-Einheit entstanden ist. An dieser Stelle soll nicht die Software im Detail betrachtet werden. Interessierte Leser können die Software von der Projektseite herunterladen und selbst erforschen.

Ein nützliches Feature des ATtiny ist die sogenannte „Capture Function‟, sie wird hier für den Empfang des Infrarot-Fernsteuersignals genutzt. Mit dieser Funktion lädt der Mikrocontroller an jeder Signalflanke, die am Capture-Eingang erscheint, den Zählerwert eines 16-Bit-Timers in das Capture-Register. Auf dieser Basis ist eine hochpräzise Zeitmessung in der Größenordnung von Mikrosekunden möglich.

In Bild 6 ist ein Zustandsdiagramm der Software skizziert. Der Mikrocontroller steuert insgesamt vier Relais, K1...K4 in diesem Bild, RE1...RE4 in der Schaltung. In Bild 6 ist Button der Drucktaster oder Schalter, der zum manuellen Ein‑ und Ausschalten dient (siehe unten). Die Prozedur verläuft sequentiell.

Zuerst aktiviert Relais RE2 den Thermistor R6/R7. Nach kurzer Zeit schließt Relais RE1 den Stromkreis, und nach Ablauf der Wartezeit wait1 wird Relais RE2 abgeschaltet, so dass auch der Thermistor deaktiviert ist. Das Schaltnetzteil des Audioverstärkers ist jetzt unmittelbar mit dem Stromnetz verbunden, es wird jedoch zu diesem Zeitpunkt noch nicht belastet.

Jetzt wird die Betriebsspannung zum Verstärker durchgeschaltet. Zuerst legt Relais RE4 die Thermistoren R20 und R21 in die Leitungen der positiven und negativen Betriebsspannung. Das geschieht, um den hochkapazitiven Puffer-Elko des Verstärkers strombegrenzt zu laden. Die beteiligten Komponenten werden geschont, und außerdem wird verhindert, dass das Schaltnetzteil in einer Kurzschlussschleife hängen bleibt. Nach einer weiteren kurzen Verzögerung schaltet Relais RE3 die Betriebsspannung vollständig durch.

Befehle trainieren

Der „Lernmodus‟ der Infrarot-Fernbedienung ist aktiv, nachdem der Drucktaster gedrückt gehalten wurde, während das Softstart-Modul mit dem Stromnetz verbunden wird. Danach muss auf der Fernbedienung die gewünschte Taste gedrückt werden. Der Mikrocontroller registriert das Infrarot-Signal und speichert es in seinem EEPROM. Die LED leuchtet auf, wenn die Prozedur erfolgreich abgelaufen ist. Um den zweiten Befehl zu speichern, muss der Drucktaster noch einmal gedrückt werden, und auch der dritte Befehl erfordert die gleiche Prozedur.

Wie schon beschrieben, können insgesamt drei Befehle gespeichert werden. Der erste Befehl schaltet das Softstart-Modul ein oder aus, der zweite Befehl steigert die Lautstärke des Verstärkers (+) und der dritte der Befehl setzt die Lautstärke herab (–).

Noch einmal Hardware

Im Softstart-Modul ist eine Autostart-Funktion integriert: Sobald am differenziellen Eingang des Mikrocontrollers (Anschlüsse 10 und 11) eine Audiospannung liegt, wird der Verstärker wie oben beschrieben eingeschaltet. Die Schaltschwelle liegt bei ungefähr 20 mV. Wird für etwa fünf Minuten kein Eingangssignal erkannt, schaltet das Softstart-Modul den Verstärker ab. Im Standby-Betrieb beträgt der Strombedarf weniger als 1 W. Das Audiosignal wird an Anschluss K6 gelegt.

Beim Autor kommt ein Schaltnetzteil des Typs SMPS300RE von Connex Electronics zum Einsatz. Dieses Netzteil stellt eine symmetrische Hilfsspannung ±12 V bereit, sie dient zum Steuern des Motorpotentiometers im Verstärker. Das geschieht mit den bidirektionalen Halbleiterrelais, die in IC6 integriert sind. Der Motorstrom wird durch die Widerstände R1 und R2 begrenzt. Ein Befehl auf der Fernbedienung, der die Lautstärke betrifft, schaltet den Motor für 500 ms in der zugehörigen Drehrichtung ein.

Bauen

Für das Softstart-Modul wurde eine doppelseitige Platine entworfen, Bild 7 zeigt das Layout. Dem schnellen und unkomplizierten Aufbau kommt entgegen, dass auf der Platine ausschließlich bedrahtete Komponenten ihren Platz haben, SMDs sind hier nicht verbaut.

Wir haben das originale Layout des Autors „internationalisiert‟, es ist jetzt wahlweise für die Netzspannungen 230 V oder 115 V geeignet. Das bedeutet allerdings, dass die Auswahl und Montage bestimmter Bauteile von der vorgesehenen Netzspannung abhängen:

• Der Transformator ist eine Ausführung mit zwei primärseitigen Wicklungen. Für 230 V müssen auf der Platine die Punkte B und C miteinander verbunden werden (isolierten Schaltdraht verwenden!), die Punkte A und D bleiben offen. Bei 115 V werden Punkt A mit Punkt C und Punkt B mit Punkt D verbunden (auch hier: isolierter Schaltdraht!).
• Varistor R5 hat bei 230 V einen anderen Wert als bei 115 V. Bitte unbedingt die Stückliste beachten!
• Die Thermistoren R6 und R7 haben identische Werte (siehe Stückliste), jedoch müssen für 230 V beide Exemplare montiert werden, während für 115 V nur R6 zu montieren ist und R7 durch eine Drahtbrücke ersetzt wird (isolierter Schaltdraht!).

Auch Kontaktleiste K3 bedarf einiger Aufmerksamkeit. Der Autor nahm hier einen Buchsenklemmblock von Wago, was sicher eine gute Wahl ist, doch außerhalb Deutschlands lässt sich dieses Bauteil möglicherweise nur schwierig beschaffen. An seiner Stelle ist auch eine sechspolige Kabelschraubklemme mit dem Rastermaß 5,08 mm verwendbar, beispielsweise der Typ von Multicomp, der in der Stückliste alternativ genannt ist. Achtung: Zum Buchsenklemmblock von Wago passt nur die zugehörige 6-polige Stiftleiste von Wago!

Die Platine können Sie wie gewohnt im Elektor-Store ordern, ebenso wie den programmierten Mikrocontroller ATtiny44. Wenn Sie den ATtiny44 selbst programmieren möchten, können Sie die nötige Software von der Projektseite dieses Beitrags herunterladen [3]. Mit einem Programmer AVRISP ist der ATtiny44 auf der Platine programmierbar, dazu muss er mit den zugehörigen Kontakten auf der Platine verbunden werden (+5 V, MOSI, MISO, GND, RST und SCL).

Zum Schluss eine sehr ernste Warnung: An Teilen der Platine liegt lebensgefährliche Netzspannung. Das Softstart-Modul muss unbedingt berührsicher in ein isolierendes Gehäuse eingebaut werden!

(170462)

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