DFRobot 原裝 Sunflower 太陽能電源管理模組 9V/12V/18V

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DFRobot 原裝 Sunflower 太陽能電源管理模組 9V/12V/18V

NT$1,150 NT$1,000

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描述

DFRobot 原裝 Sunflower 太陽能電源管理模組 9V/12V/18V

太陽能電源管理模塊是一款具有最大功率點跟踪MPPT、太陽能/電源適配器/USB多種充電方式,針對3.7V單節鋰聚合物/鋰離子電池充電,可控多路直流穩壓輸出,並具有完善保護功能的小功率高效率太陽能電源管理模塊。本模塊採用恆定電壓最大功率點跟踪MPPT算法,可最大化太陽能板在各種光照條件下的輸出功率。三路高效開關直流穩壓輸出5V 1.5A,3.3V 1A和9V/12V 0.5A均可分別獨立控制通斷,滿足廣大創客用戶對太陽能以及低功耗應用創作的多種需求。除了作為太陽能充電器,用戶還可以使用常見USB充電器或者30V以內的各類電源適配器為單節3.7V鋰電池提供最高2A的充電電流。模塊具有專用鋰電池保護芯片、電池/太陽能板防反接、過熱保護,限流保護等多種保護功能,可有效地為系統提供全方位的保護,大大提高了系統的安全性與穩定性。

特性

  • 恆定電壓最大功率點跟踪MPPT算法,最大化太陽能轉換率
  • 7V~30V寬太陽能板輸入電壓,兼容廣大中小功率太陽能板
  • 太陽能/電源適配器/USB多種充電方式(最大2A充電),靈活充電
  • 可獨立控制的三路高效率穩壓輸出,適用各類低功耗應用項目
  • 全部採用多層陶瓷電容MLCC,安全穩定高效
  • 多種保護功能,全方位保障電池與電源系統安全
  • 多種狀態指示燈,系統狀態一目了然
  • USB防靜電外殼

技術規格

  • 太陽能充電管理芯片:LTC3652
  • 太陽能板輸入電壓:7V~30V
  • 電池類型:3.7V單節鋰聚合物/鋰離子電池(充滿電壓4.2V)
  • 充電電流(USB/太陽能):2A Max 涓流、恆流、恆壓三段充電
  • 充電截止電壓(USB/太陽能):4.2V±1%
  • 最大功率點設置檔位:OFF/9V/12V/18V
  • USB充電輸入電壓:5V
  • 穩壓輸出:3個(OUT1=5V 1.5A; OUT2=3.3V 1A; OUT3=9V/12V 0.5A)
  • 穩壓輸出效率(3.7V電池輸入)
    • OUT1: 90%@10%負載;86%@50%負載;80%@90%負載
    • OUT2: 96%@10%負載;92%@50%負載;87%@90%負載
    • OUT3(9V輸出):88%@10%負載;89%@50%負載;86%@90%負載
    • OUT3(12V輸出):87%@10%負載;88%@50%負載;82%@90%負載
  • USB充電效率:84%@1A;74%@1.8A
  • 太陽能充電效率(18V輸入):78%@1A;72%@1.8A
  • 靜態功耗
    • 系統最大靜態功耗:<3 mA
    • OUT1靜態功耗:<760 uA
    • OUT2靜態功耗:<560 uA
    • OUT3靜態功耗:<1.72 mA
  • 保護功能
    • 電池(BAT IN):過衝電壓(4.3V)、過放電壓(2.4V)、過流(3A)、反接保護
    • 穩壓輸出(OUT1-3/USB OUT):短路/過流/過熱保護
    • 太陽能板(SOLAR IN):防倒灌,反接保護
  • 工作溫度:-40℃~85℃
  • 尺寸:78.0mm*68.0mm

應用場景

  • 太陽能智能環境監控系統
  • 太陽能小車與機器人
  • 小型太陽能路燈
  • 太陽能充電寶

接口說明

DFR0535 overview(CH).png

快速使用

搭建一個太陽能供電系統

  • 按照下圖,先將鋰電池連接到BAT IN端口,然後將太陽能板連接到SOLAR IN端口。
  • 根據太陽能板的額定(最大功率)電壓,將MPPT SET撥碼開關相應撥碼撥到ON(其餘位保持OFF)。
  • 在USB OUT連接Arduino,在OUT1-3連接相應的負載(傳感器、電機驅動等),注意將所需的穩壓輸出通過跳線帽插到藍色接線柱的ON位置。
  • 若無輸出(指示燈ON1-ON3未點亮),需要按一下BOOT按鈕激活鋰電池保護芯片。
注意:

  • 若使用10W及以上的大功率太陽能板,LTC3652可能會滿載運行,此時需要增強其散熱。把附送的藍色導熱矽膠片粘在散熱片上,然後把散熱片粘在模塊背部標有“Cooling Fin”處的散熱片安裝處。

太陽能供電系統

詳細說明

最大功率點跟踪MPPT

太陽能電池最大功率點跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)技術能夠保證在負載或環境光照強度變化時,光伏電池一直保持最大輸出功率,以最大化太陽能利用率。

從太陽能板的I/V伏安特性曲線(綠線)中可以看出,曲線與縱軸的交點為太陽能板的短路電流I SC,與橫軸的交點為開路電壓V OC,太陽能板的I SC和V OC均隨著光照強度的增加而上升,其輸出電流I PANEL隨著輸出電壓V PANEL經過一個先緩後急的逐漸下降過程。當我們把電壓與電流相乘,以輸出電壓為自變量,可以得到太陽能板的P/V伏瓦特性曲線(藍線),隨著光照強度的上升,太陽能板在各電壓下的輸出功率也隨之上升,但達到最大輸出功率時的輸出電壓V MP隨光照的變化不大,因此可認為一塊太陽能板的最大輸出功率電壓(也叫做額定電壓)是一個固定的值。

太陽能IV/PV特性曲線(圖片來源於Linear Technology)

本模塊使用的LTC3652太陽能電源管理芯片採用恆定電壓MPPT算法,通過DC-DC開關控制電路限制太陽能板的輸出電流,等效地把太陽能輸出電壓控制在最大功率點附近,以最大化太陽能板的輸出功率。相對於市面上普通的降壓型開關電源太陽能控制器,能有效提高太陽能利用率與轉換效率。

充電循環

模塊通過涓流、恆流和恆壓三個階段對鋰電池進行安全快速充電。

  • 涓流充電:由於鋰電池在電壓較低時,內阻較高,不宜大電流充電,否則會導致電池溫度過高,電池壽命降低。當電池電壓低於涓流充電閾值電壓2.94V時,模塊進入涓流充電階段,以最大充電電流的15%,即300mA,對電池進行充電,直到電池電壓高於2.94V。
  • 恆流充電:當電池電壓高於2.94V,模塊進入恆流充電階段,以恆定電流2A對電池快速充電。在涓流充電和恆流充電兩個階段,CHG SOLAR紅色LED點亮。
  • 恆壓充電:當電池電壓隨著恆流階段的充電,接近充電截止電壓4.2V時,模塊進入恆壓充電階段,模塊以恆定充電電壓對電池繼續充電,充電電流隨時間逐漸下降。當充電電流下降到最大充電電流的10%,即200mA時,充電結束,充電電流趨近於零。CHG SOLAR紅色LED熄滅。
  • 自動再充電:如果模塊輸入源(SOLAR IN)沒有斷電,由於電池自放電或者負載的原因,電池電壓逐漸下降,降低到4.1V時,將自動開始新的充電週期。

DFR0535 太陽能電源管理模塊電池充電特性曲線

太陽能板選型

SOLAR IN端口可連接目前市面上任何種類(多晶、單晶、薄膜),開路電壓在7V~30V以內的太陽能電池板,考慮到太陽能板的大小、重量與價格和模塊的最大充電電流等因素,連接一塊功率不超過15W的太陽能電池板在SOLAR IN端口即可。

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注意:輸入電壓嚴禁超過30V,否則可能永久損壞模塊。

最大功率點設置MPPT SET

MPPT SET提供目前中小功率太陽能板較為常用的三種電壓9V,12V和18V的快速設置。用戶可以根據所使用太陽能板的額定電壓,每次撥動相應的一位開關到ON,其它位保持OFF。若不需要MPPT功能,則將最後一位(OFF位)撥動到ON(OFF位有最高優先級,無論其它位撥碼狀態如何,該位處於ON時,關閉MPPT功能)。關閉MPPT後,SOLAR IN變為一個具有最大2A充電電流的降壓型開關電源充電器,這可以用於在SOLAR IN端口使用電源適配器為電池充電的場合。

最大功率點設置撥碼開關

注意:

  • 當太陽光較弱時,太陽能板開路電壓可能低於MPPT設定電壓,此時太陽能充電電路處於關閉狀態,太陽能板無法對電池進行充電,充電指示燈CHG SOLAR熄滅。此時,可將最後一位(OFF位)撥動到ON,關閉MPPT功能,讓電路在弱光條件下繼續對電池進行小電流充電。

電池選型

BAT IN端口提供PH2.0和接線柱兩種接口,這兩個接口不經過任何電路內部相互並聯,通常選擇其中一個接口連接單節3.7V鋰離子/鋰聚合物電池(充滿4.2V)。由於模塊最大的充電電流可達2A,為了保證電池不會由於過大的充電電流導致過熱而產生安全問題,需要注意電池標稱的最大充電電流不低於該值。通常鋰電池會標註充電倍率與容量,可通過公式:最大充電電流(mA)=電池容量(mAH)*充電倍率(C)來計算所使用鋰電池的最大允許充電電流是否大於2A。對於常見的充電倍率為1C的鋰電池,可選擇容量為2000mAh以上或容量更小但帶有限流保護芯片的電池,而動力型(航模用)鋰電池通常具有較高的充放電倍率,因此可使用體積與容量更小的電池。此外,在PH2.0端口可使用DFRobot的3.7V鋰聚合物電池,電池內部帶鋰電池保護芯片,可自動限制電池充電電流在安全範圍內。

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注意:切勿使用除說明外的其它類型可充/不可沖電池。

USB充電要求

建議使用具有5V 2A負載能力的手機充電頭用於USB充電,使用低負載能力的手機充電頭(如5V 1A)會降低電池的充電速度。

USB充電輸入

USB/太陽能充電自動切換

用戶可通過USB或太陽能輸入端口SOLAR IN對鋰電池進行充電,兩者俱有相同的2A最大充電電流能力,但為了防止兩者同時給鋰電池充電而產生衝突,USB充電具有較高優先級。當太陽能板端口SOLAR IN充當充電電源,插入USB充電會關斷太陽能充電,當USB拔出時,電路自動切換回太陽能充電。

多路穩壓輸出

模塊具有三路高效率穩壓輸出(OUT1=5V 1.5A; OUT2=3.3V 1A; OUT3=9V/12V 0.5A),其中OUT3輸出電壓可通過OUT3 SET撥動開關選擇為9V或12V,OUT1和USB OUT具有相同的輸出電壓,共享輸出功率額度(不超過1.5A)。USB OUT不能被關閉。

OUT3輸出電壓設置

目前大部分市場上的充電寶均帶有自動關機功能以降低靜態功耗,但這些充電寶的自動關機閾值往往對於低功耗主控板,甚至對經典的Arduino UNO來說都過大(一般在50mA左右),充電寶會由於在剛上電的幾十秒後檢測到較低的輸出電流而自動關機,這就導致這類充電寶無法用在低功耗項目中。無論主控板在全速“高功耗”運行,還是進入睡眠待機狀態的幾微安功耗,USB OUT均能持續供電。

用戶可使用目前市面上所有3.3V或5V電平微控制器(如Arduino系列、FireBeetle和樹莓派等)分別對三路穩壓輸出的通斷進行動態控制。將藍色接線柱的跳線帽拔出,該路穩壓輸出會自動關閉(指示燈ON熄滅),將Arduino任意一個數字IO管腳和GND連接分別連接到標有EN和GND的藍色排針,IO管腳輸出高電平時,該路穩壓輸出將會被打開,低電平時,該路穩壓輸出將會被關閉。該功能在低功耗應用裡面尤為有用,比如將所有的外設或傳感器供電連接在OUT1和GND1上,當需要讀取傳感器的數值時,打開這一路的穩壓輸出,完成數據的讀取,然後關閉穩壓供電,同時將微控制器置於休眠狀態直到下次被喚醒。

注意:

  • 關閉OUT1 5V穩壓輸出不會關閉USB OUT 5V輸出,USB輸出不能被關閉,但USB OUT與OUT1輸出總功率不應超過額定的5V*1.5A=7.5W。
  • 當OUT1和OUT3輸出打開時,相應的GND1與GND3分別與系統地GND相連。當OUT1和OUT3輸出關閉時,GND1與GND3懸空(與GND斷開)。

多路穩壓輸出

LED 指示燈

模塊上有三種LED指示燈,分別指示模塊不同部分的工作狀態:

  • 反接指示:當電池或太陽能接反時,相應的防反接保護電路被激活,保護電路不被損壞,同時相應的反接指示燈REV BAT和REV SOLAR點亮(橘色),提示用戶連線錯誤。

電池反接指示

太陽能板反接指示

  • 充電指示燈:當使用USB對電池充電時,CHG USB指示燈(紅色)點亮,充滿時DONE指示燈(綠色)點亮,CHG USB熄滅,無電池接入時,兩燈同時點亮。DONE指示燈僅用於USB充電時,指示電池是否充滿,無法用於太陽能SOLAR IN充電時,電池的充電狀態。當使用太陽能端口給電池充電時,CHG SOLAR指示燈(紅色)點亮;充滿時,CHG SOLAR指示燈熄滅;電池未連接時,CHG SOLAR指示燈閃爍;光照過弱,電路無法通過太陽能板給電池充電時,CHG SOLAR指示燈熄滅。在使用太陽能充電的同時,穩壓輸出端OUT也連接有負載,進行邊衝邊放時,CHG SOLAR指示燈會一直處於常亮狀態。在這種情況下,需要使用主控的模擬輸入端口測量電池電壓是否接近4.2V以判斷電池是否充滿。

USB充電指示

太陽能充電指示

注意:在打開或關閉MPPT功能時,CHG SOLAR太陽能充電指示燈會有不同的表現。

  • 當打開MPPT功能時,若沖入電池電流小於250mA,CHG SOLAR不點亮。雖然電池仍在以較小的電流充電,但這意味著太陽能板所處光照偏弱,或太陽能板並未正對太陽。
  • 當關閉MPPT功能時,只要有稍微光照,太陽能板開路電壓高於7V,CHG SOLAR即點亮,與衝入電池電流無關。
  • 穩壓輸出指示燈:ON1-ON3指示燈(綠色)分別指示相應的OUT1-OUT3的輸出狀態,點亮時該路輸出打開,熄滅時該路輸出關閉。USB OUT沒有狀態指示燈且不能被關斷,只要USB/太陽能/電池任一路有輸入,USB OUT就有輸出。

穩壓輸出指示燈

LTC3652散熱片安裝

當使用電源適配器或10W以上大功率太陽能板時,太陽能電源管理芯片LTC3652將會運行在滿載充電狀態。芯片帶有過熱保護,當由於充電過熱時,芯片會自動降低充電電流保護芯片,但為了進一步降低芯片工作溫度,提高穩定性與壽命,建議用戶在使用前將附送的散熱片和導熱矽膠片粘在模塊背面標有“Cooling Fin”的散熱器安裝位置,增強散熱。

散熱片安裝位置

保護功能

  • 鋰電池保護:模塊採用專用鋰電池保護芯片對鋰電池進行全方位保護。當鋰電池電壓超過4.3V時,電池與模塊的連接被斷開(但允許放電),防止電池過衝。當鋰電池電壓下降低於2.4V時,電池與模塊的連接被斷開(但允許充電),防止電池過放。一兩次的嚴重過放或過衝可能會直接導致鋰電池永久損壞,一般鋰充電芯片都通過芯片內部設定的充電截止電壓4.2V來保證電池不被過衝,但電池的過放只能依賴於封裝在電池裡面的保護電路或者像本模塊一樣對鋰電池的過放進行保護。當鋰電池輸出電流超過3A時,芯片斷開電池與系統連接,電池輸出被關閉直到電流低於過流閾值。
  • 反接保護:在電池接口BAT IN和太陽能輸入接口SOLAR IN處有防反接保護,反接時相應指示燈點亮,提示用戶出現反接錯誤。
  • 穩壓輸出保護:當穩壓輸出被意外短路時,鋰電池保護芯片會瞬間流過大電流並迅速產生過流保護,進入休眠狀態,關斷電池輸出。此時,所有穩壓輸出OUT1-OUT3斷電關閉,相應的指示燈ON1-ON3熄滅。對於過流(過載)保護,各路穩壓輸出的保護處理方法略有不同。對於OUT2,當輸出電流超過1.1A時,輸出會被完全截止。對於OUT1和OUT3,當輸出電流超過額定值時,輸出不會被截止,但芯片會由於過大的輸出電流逐漸升溫,直到觸發芯片內部的過溫保護限制輸出電流,從而保護芯片。在實際使用中註意各路輸出電流(功率)不要超過額定值。
注意:

  • 當每次重新連接電池或芯片由於保護動作進入休眠狀態,需要按一下BOOT按鈕或使用USB或太陽能對電池進行充電以激活芯片。

應用實例

使用電源適配器充電
利用太陽能充電輸入端口,可用常規7V-30V內的電源適配器為單節鋰電池供電。按照下圖連線,將帶有DC2.1公頭的電源適配器插入附送轉接頭的DC2.1母口上,另一端使用短導線連接到模塊的太陽能輸入端口SOLAR IN,並將MPPT SET的OFF位撥到ON(其它位保持OFF),這樣可為鋰電池提供最高2A的充電電流。

使用電源適配器充電

使用USB充電
利用USB充電功能,可為鋰電池提供最高2A的充電電流。使用該USB充電功能搭建一個太陽能充電寶,白天使用太陽能為電池充電,晚上電池沒電時也可以用USB充電。由於USB OUT充電輸出不會自動關閉,可為小電流、低功耗用電設備供電,例如智能手環或藍牙耳機等。

使用USB手機充電器充電

搭建一個低功耗環境監控站
這個應用實例使用BME280環境傳感器、VEML7700環境光傳感器和DS1307 RTC實時時鐘三個模塊監控環境中的各項指標並記錄相應的時間,模擬輸入A1監控電池電壓。Arduino(或其他低功耗微控制器)通過I/O管腳每隔一定時間(如T=1s)打開OUT1 5V穩壓輸出為各傳感器供電,讀取一次傳感器中的溫度、濕度、氣壓、光照強度和相應的具體時間,然後關閉供電輸出,而微控制器自身進入低功耗模式直到下一次被(內部低功耗時鐘)喚醒(USB OUT一直有供電輸出)。通過這種間歇性工作能夠完全消除外設的靜態功耗(雖然單個傳感器功耗一般很低,但多個累加起來將會十分可觀。而對於如顯示屏這類“高功耗”外設,靜態功耗的影響則更明顯),大幅降低系統平均功耗。太陽能電源管理模塊為用戶提供動態開關外設模塊供電的手段,最小化系統平均總功耗(平均功耗隨時間間隔T延長而下降),有效延長系統續航。

低功耗環境監控站

常見問題

Q1.兩個電池接口是否可以同時接入電池?
A.可以,此時電池為並聯使用,但需要注意接入的兩個電池應具有相同規格和使用壽命(相同容量,新舊相當)。模塊所提供的兩個接口為了適應不同的電池接口而設計,但兩者內部直接並聯,通常情況下一次只連接一個電池。
Q2.用的是電池供電,為什麼各穩壓輸出都不超過額定值,但是模塊不時會自動斷電?
A.三路穩壓最大輸出總功率為5V*1.5A+3.3V*1A+12V*0.5A=16.8W。若只由電池供電時,模塊最大輸出功率取決於電池保護端的3A限制電流,取3.7V電池電壓,85%的平均效率計算,此時模塊最大輸出功率不超過3.7V*3A*85%=9.4 W(電池充滿時,電池電壓4.2V,最大輸出功率為10.7W)。當三路穩壓輸出總功率超過該值時(即使此時OUT1-OUT3每路穩壓輸出功率均在額定值範圍內),鋰電池保護芯片會進入過流保護,斷開電池與後級電路。若發生該問題時,需要通過USB或太陽能輸入端口SOLAR IN進行外部供電,以防止電池進入限流保護。
Q3. MPPT設置裡面沒有我使用的太陽能板電壓,怎麼辦?
A.有兩種辦法可供選擇:
  • 關閉MPPT功能:將MPPT SET的OFF位撥到ON,關閉MPPT功能。雖然太陽能板的利用率會因此有所降低,但能保證太陽板7V-30V以內的任何太陽能板都能使用。
  • 選擇近似的MPPT電壓:由於在太陽能板額定(最大功率點)V MP電壓附近有一定電壓範圍內均能保持較高的轉換效率(見太陽能板P/V特性曲線),因此MPPT點電壓可不必過於精確,取MPPT SET撥至接近但小於所使用太陽能板的額定電壓。對於9V-11.9V太陽板,選擇9V檔;對於12V-16.9V太陽能板,選擇12V檔。對於17V-24V太陽能板選擇,選擇18V檔。
Q4.可以邊衝邊放嗎?
A.可以。模塊可以一邊使用太陽能(或USB)充電,一邊使用三路穩壓輸出為負載供電。

Solar Power Manager (for 9V/12V/18V solar panel)

The DFRobot Solar Power Manager series are designed for IoT projects and renewable energy projects, providing safe and high-efficiency embedded solar power management modules for makers and application engineers.

Solar Power Manager is a complete small power and high-efficiency solar power management module. It features as MPPT (Maximum Power Point Tracking) function, maximizing the efficiency of the solar panel. Apart from serving as a solar charger, the module can provide up to 2A charging current to 3.7V Li battery with AC adapter (within 30V) or USB charger, three individual ON/OFF controllable DC-DC converters with 5V 1.5A, 3.3V 1A and 9V/12V 0.5A outputs. These features satisfy the needs of various solar power projects and low-power applications. The module also employs various protect functions, such as Li battery protection, battery/solar panel reverse connection protection, output over temperature and over current/short circuit protection, which greatly improves the stability and safety of the system.

Board Overview

Solar Power Manager (for 9V/12V/18V solar panel)

Solar Power Manager

Connection Diagram

DFR0535-Build a solar powered system

FEATURES

  • Constant voltage MPPT algorithm, maximizing solar panel efficiency
  • 7V~30V wide solar panel input voltage
  • Various charging mode: solar/AC adapter/USB charger (2A max charge current)
  • Three individual ON/OFF controllable regulated power supply for low-power applications
  • All multi-layer ceramic capacitors (MLCC), safe, stable and high-efficiency
  • Various protection functions
  • USB connector with ESD shell

APPLICATIONS

  • Smart solar environment monitor system
  • Solar powered robot
  • Small solar street lamp
  • Solar power bank

SPECIFICATION

  • Solar power management IC: LTC3652
  • Solar input voltage (SOLAR IN): 7V~30V
  • Battery input (BAT IN): 3.7V single cell Li-polymer/Li-ion battery
  • Charge current(USB/SOLAR IN): 2A Max
  • Charging cutoff voltage(USB/SOLAR IN): 4.2V±1%
  • MPPT setting voltages:OFF/9V/12V/18V
  • USB IN voltage: 5V
  • Regulated power supply: OUT1=5V 1.5A; OUT2=3.3V 1A; OUT3=9V/12V 0.5A
  • Regulated power supply efficiency (3.7V battery IN)
     OUT1: 86%@50%Load
     OUT2: 92%@50%Load
     OUT3 (9V OUT): 89%@50%Load
  • USB charge efficiency: 84%@1A
  • Solar charge efficiency (18V SOLAR IN):78%@1A
  • Maximum quiescent current: <3 mA
  • Protections
     BAT IN: over charge /over discharge /over current /reverse connection protection
     OUT1-OUT3/USB OUT: short circuit/over current/over heat protection
     SOLAR IN: reverse connection protection
  • Operation temperature:-40℃~85℃
  • Dimension:78.0mm*68.0mm

DOCUMENTS

SHIPPING LIST

  • Solar Power Manager                                           x1
  • Black Jumper                                                                x3
  • M3 nylon pillar                                                           x4
  • M3 stainless steel screw                                            x4
  • 14mm*14mm Aluminum cooling fin                        x1
  • 14mm*14mm Thermal conductive silicone pad  x1
  • Female DC power jack adapter                             x1

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