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LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Diodo de Silício .......................................................................................... 2 Figura 2 – Capacitor Cerâmico .................................................................................... 4 Figura 3 – Potenciômetro ............................................................................................ 4 Figura 4 – Diagrama em Blocos do Projeto ................................................................. 5 Figura 5 – Diagrama Esquemático .............................................................................. 6 Figura 6 – Transistores diversos ................................................................................. 6 Figura 7 – Dissipador de Calor .................................................................................... 7 Figura 8 – Curva de Resistencia Térmica ................................................................. 11 Figura 9 – Dissipação de potência x Temperatura (TIP31) ....................................... 11 Figura 10 – Diagrama elétrico 4V .............................................................................. 12 Figura 11 – Diagrama elétrico 12V ............................................................................ 12 Figura 12 – Foto da placa, visão inferior ................................................................... 16 Figura 13 – Foto da caixa, visão traseira .................................................................. 16 Figura 14 – Foto da caixa, visão frontal .................................................................... 16 Figura 15 – Foto da placa, visão superior ................................................................. 17 Figura 16 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador com Capacitor ..................... 18 Figura 17 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador sem Capacitor ..................... 18 Figura 18 – Tensão de saída sem capacitor ............................................................. 18 Figura 19 – Tensão de saída com capacitor cerâmico 100nF ................................... 19 Figura 20 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador com Capacitor ..................... 19 Figura 21 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador sem Capacitor ..................... 19 Figura 22 – Tensão de saída com capacitor cerâmico 100nF ................................... 20 Figura 23 – Tensão de saída sem capacitor ............................................................. 20 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1 1.1Transformador .................................................................................................... 1 1.2 Diodos Retificadores .......................................................................................... 1 1.3 Diodo Emissor de Luz ........................................................................................ 2 1.4 Capacitor Eletrolítico .......................................................................................... 2 1.5 Capacitor Cerâmico ........................................................................................... 3 1.6 Resistor .............................................................................................................. 4 1.7 Potenciômetro .................................................................................................... 4 1.8 Regulador de Tensão de Alta Precisão LM723 ................................................. 5 1.9 Transistores ....................................................................................................... 6 1. 10 Proteções ........................................................................................................ 7 1.11 Dissipador de Calor ......................................................................................... 7 2 MEMÓRIA DE CÁLCULO ........................................................................................ 8 2.1 Cálculo do Ganho .............................................................................................. 8 2.2 Cálculo de R3, R4 e P1 ..................................................................................... 8 2.3 Cálculo de Rsc ................................................................................................... 9 2.4 Cálculo do Capacitor........................................................................................ 10 2.5 Cálculo do Dissipador ...................................................................................... 10 3 DIAGRAMA ELÉTRICO E SIMULAÇÃO ................................................................ 12 4 LISTA DE MATERIAIS ........................................................................................... 13 5 RELATÓRIO DE TESTES E COMPARAÇÕES ..................................................... 14 6 CONCLUSÃO DIAGNÓSTICA ............................................................................... 15 7 FOTOS DA MONTAGEM ....................................................................................... 16 8 GRÁFICOS REAIS EXTRAÍDOS DO OSCILOSCÓPIO......................................... 18 9 FOLHA DE DADOS - DATASHEET ....................................................................... 21 CONCLUSÃO ............................................................................................................ 27 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 28 1 INTRODUÇÃO Neste trabalho foi desenvolvido um projeto para uma fonte de alimentação regulada, que tem como função, basicamente, transformar uma tensão alternada (AC) que vem da rede de alimentação, em tensão contínua (DC) regulada e linear. Foi determinado que esta fonte fosse capaz de receber uma tensão de entrada 127/220 Vac 60 Hz e fornecer uma tensão de saída não regulada de 16 Vdc com fator de Ripple menor ou igual a 5%. Na saída regulada, na carga, uma tensão contínua linear que pode variar de 4 a 12V e uma corrente > 500 mA através de um retificador de onda completa com filtro capacitivo e um circuito que possibilita a regulagem e linearidade da saída. Os principais componentes usados nesta fonte são apresentados a seguir: 1.1Transformador Tem a função, neste circuito, de abaixar a tensão da rede elétrica de 127/220 Vac para uma tensão de 15 Vac. É importante ressaltar que o transformador somente abaixa a tensão de alternada (Vac) e não a transforma em contínua (Vdc). Seu núcleo é feito de material ferromagnético (ferro silício) e enrolamentos de fios de cobre. 1.2 Diodos Retificadores Um diodo é um componente que conduz corrente elétrica somente em um sentido de polarização, por isso são chamados também de componentes semicondutores. Sua função neste projeto é transformar corrente alternada em corrente contínua pulsante. Foram utilizados quatro diodos de Silício em ponte para retificar a tensão alternada em contínua pulsante. O diodo de Silício, mostrado na Figura 1, têm queda de tensão de aproximadamente 0,7 V quando estão conduzindo. Durante o semi-ciclo positivo da tensão de entrada (Vs), Vs é positiva e a corrente é conduzida por dois diodos. Durante este processo, os outros dois diodos estarão polarizados reversamente. Durante o semi-ciclo negativo, a corrente será conduzida pelos diodos que estavam cortados no semi-ciclo positivo e os que conduziam no semi-ciclo positivo estarão polarizados reversamente. Essa forma de trabalho da ponte de diodos permite obter uma tensão contínua pulsante. Figura 1 – Diodo de Silício 1.3 Diodo Emissor de Luz O diodo emissor de luz, ou LED, é um componente que converte correntedireta em luz. Para o funcionamento do diodo é necessário fornecer energia para gerar um elétron livre e como conseqüência uma lacuna. Ao utilizar elementos como gálio, arsênio e fósforo, a energia liberada devido à recombinação de um par elétron- lacuna é emitida na forma de luz. Eles podem ser feitos para produzir luzes de diversas cores como verde, vermelha, azul, etc. Foi utilizado um LED para indicar que o circuito está operante. 1.4 Capacitor Eletrolítico O Capacitor eletrolítico internamente é composto por duas folhas de alumínio, separadas por uma camada de óxido de alumínio, enroladas e embebidas em um líquido eletrólito (composto predominantemente de ácido bórico ou borato de sódio). Por ser composto por folhas enroladas, tem a forma cilíndrica. Suas dimensões variam de acordo com a capacitância e limite de tensão que suporta. É um tipo de capacitor que possui polaridade, ou seja, não funciona corretamente se for invertido. Se a polaridade for invertida dá-se inicio à destruição da camada de óxido, fazendo o capacitor entrar em curto-circuito. Nos capacitores eletrolíticos, uma inversão de polaridade é extremamente perigosa, visto que, a reação interna gera vapores que acabavam por destruir o capacitor através de uma explosão ou, rompimento de carcaça. Os capacitores mais modernos podem inchar e, por isso, raramente explodem – exceto se a tensão aplicada reversamente for muito elevada. Foi utilizado um capacitor eletrolítico neste projeto para reduzir o valor da componente alternada da tensão de saída. O parâmetro para indicar a qualidade da corrente pulsante é denominado fator de ondulação, ou fator de Ripple. O filtro deve reduzir este fator para o menor valor possível (nulo, no caso ideal). Como a relação entre o fator de Ripple e o tamanho do capacitor são inversamente proporcionais, quanto maior o valor do capacitor, menor o Ripple e, consequentemente, a tensão na carga terá ondulações quase imperceptíveis. O valor do capacitor foi encontrado através do Datasheet do LM723, o adotado foi o de 100nF por ter a configuração mais próxima. 1.5 Capacitor Cerâmico Capacitores são comumente usados em fontes de energia onde elas suavizam a saída de uma onda retificada completa ou meia onda. Por passarem sinais de Corrente Alternada, mas bloquearem Corrente Contínua, capacitores são frequentemente usados para separar circuitos de Corrente alternada de corrente continua. Este método é conhecido como acoplamento AC. Os capacitores cerâmicos apresentam impressos no próprio corpo um conjunto de três algarismos e uma letra, como pode ser visto na Figura 2. Para obter o valor do capacitor os dois primeiros algarismos representam os dois primeiros dígitos do valor do capacitor, e o terceiro algarismo (algarismo multiplicador) representa o número de zeros à direita. A letra representa a tolerância do capacitor (a qual pode ser omitida), que é a faixa de valores em que a capacitância variará. Para os capacitores cerâmicos até 10pF esta é expressa em pF. Para os acima de 10pF é expressa em porcentagem. Por exemplo um capacitor com 224F impresso no próprio corpo, possuirá uma capacitância de 220000pF com uma tolerância de +/- 1% (seu valor pode ser um ponto percentual à mais ou à menos desse valor). Neste trabalho foram utilizados 2 capacitores cerâmicos, um com função de filtrar ruídos de alta frequencia,ligado nos pino 13 do CI LM723 e outro na saida do circuito regulador de saída linear. Figura 2 – Capacitor Cerâmico 1.6 Resistor Componente que tem a função de limitar a passagem de corrente no circuito. Neste projeto foi colocado em série com o LED, com o objetivo de limitar a corrente no mesmo, pois ele trabalha em baixas correntes na faixa de 20 mA. Se a resistência no ramo do diodo LED for baixa, a corrente que chega ao LED terá um valor elevado, podendo assim queimar esse elemento do circuito. 1.7 Potenciômetro Um potenciômetro é um componente eletrônico que possui resistência elétrica ajustável. Geralmente, é um resistor de três terminais onde a conexão central é deslizante e manipulável. Se todos os três terminais são usados, ele atua como um divisor de tensão. No circuito, foi utilizado um potenciômetro (Figura 3) de 1KΩ. Figura 3 – Potenciômetro 1.8 Regulador de Tensão de Alta Precisão LM723 A finalidade do circuito regulador é compensar variações apresentadas na entrada e saída do Retificador Monofásico em Ponte com filtro capacitivo. O objetivo é manter a tensão de saída constante no valor regulado através do potenciômetro. A seqüência de condicionamento da tensão de entrada é mostrada no diagrama em blocos da Figura 4: Figura 4 – Diagrama em Blocos do Projeto Bloco Retificador/Filtro: Tem por finalidade transformar um sinal senoidal de rede de alimentação em um sinal contínuo. Bloco CI LM723: Regular a tensão na saída Bloco Protetor de Sobrecorrente: Atua quando a corrente de carga passa a ser maior que aproximadamente 1,2A. Este bloco é constituído por um resistor que funciona como sensor, polarizando a junção base-emissor de um transistor interno ao LM723, drenando a corrente de base do transistor de potência, TIP31, quando a corrente ultrapassa o limite de corrente pré-estabelecido. Bloco Carga RL: Carga resistiva por onde fluirá uma corrente de no máximo 1A. O diagrama esquemático do projeto é apresentado abaixo: Figura 5 – Diagrama Esquemático 1.9 Transistores O transistor é um componente eletrônico utilizado principalmente como amplificador e interruptor de sinais elétricos. O termo vem de transfer resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores. A Figura 6 apresenta alguns tipos de transistores. No transistor de junção bipolar ou TJB (BJT – Bipolar Junction Transistor na terminologia inglesa), o controle da corrente coletor-emissor é feito injetando corrente na base. O efeito transistor ocorre quando a junção coletor-base é polarizada reversamente e a junção base-emissor é polarizada diretamente. Uma pequena corrente de base é suficiente para estabelecer uma corrente entre os terminais de coletor-emissor. Esta corrente será tão maior quanto maior for a corrente de base, de acordo com o ganho. Como o CI LM723 possui uma capacidade de corrente muito baixa (máxima de 150mA) foi utilizado um transistor TIP31 para amplificar essa corrente, esse componente irá fazer o papel de “drive de corrente”. Figura 6 – Transistores diversos 1. 10 Proteções O fusível é um dispositivo de segurança de um circuito elétrico, que tem a função de interromper a passagem de corrente elétrica no circuito, quando a corrente ultrapassar o limite permitido pelo fusível, evitando assim um curto-circuito. Esses curtos-circuitos podem causar incêndios, explosões ou danos a alguns equipamentos do circuito, os fusíveis são bastante usados nos eletrodomésticos. Alguns fusíveis são feitos de uma pequena liga metálica, geralmente o chumbo, de baixo ponto de fusão, pois quando a intensidade da corrente elétrica ultrapassa o limite do fusível, essa liga se esquenta e se funde cortando assim a passagem de corrente elétrica. O tempo que ele demora a fundir é proporcional ao quadrado da corrente aplicada e da inércia térmica do material da liga metálica do fusível. Um fusível de 2 A foi usado como proteção contra uma corrente elevada. 1.11 Dissipador de Calor Dissipador de calor (Figura 7) é o nome dado a um objeto de metal sendo geralmente feito de cobre ou alumínio, que pelo fenômeno da condução térmica e uma maior área por onde um fluxo térmico pode se difundir, maximiza o nível de dissipaçãotérmica de qualquer superfície que gere calor. Sendo assim, dissipadores de calor têm o objetivo de garantir a integridade de equipamentos que podem se danificar com o calor gerado por seu funcionamento. Figura 7 – Dissipador de Calor O TIP31 precisará de um dissipador de calor que facilite a transferência de calor entre o transistor e o ambiente. O Dissipador protegerá o componente de possíveis excessos de temperaturas, permitindo a adequação do seu uso. O dimensionamento do dissipador foi encontrado através do datasheet. 2 MEMÓRIA DE CÁLCULO Para dimensionar os componentes a serem utilizados, foram feitos os cálculos apresentados abaixo e para alguns casos, foram usadas as curvas de Schade. 2.1 Cálculo do Ganho O circuito utilizado no projeto é um amplificador inversor. Seu ganho é deduzido pela seguinte fórmula: Vx = Vp (Curto Virtual) Onde: Vx = Tensão na entrada Inversora . Vp = Tensão na entrada Não-Inversora. Tensão proveniente do divisor de tensão com a tensão Vref e os resistores R3 e R4. Como o valor da tensão Vref é 7,15v o menor ganho que o amplificador poderia ter para obter 12v na saída é 1,67. Foi arbitrado os valores R1 = 2,2KΩ e R2 = 1KΩ, ambos 1/8W, assim o ganho será Av = 3,2 e será um valor que permitira obter uma saída de 4v a 12v a partir do divisor de tensão na entrada. 2.2 Cálculo de R3, R4 e P1 Para Vo = 12v, Vx = 3,75v e para Vo = 4v, Vx = 1,25v. Para o potenciômetro foi arbitrado um valor de 1KΩ para que fique na mesma ordem de grandeza dos resistores R1 e R2. O potenciômetro deverá variar a tensão na entrada Não- Inversora entre 3,75v e 1,25v, então a corrente que circula por ele será: O resistor R3 está entre a entrada Vref e o potenciômetro, seu valor é calculado por: Serão usados dois resistores de valores 1,2KΩ / 1/8W e 100Ω / 1/8W (valores comerciais) em série para obter um valor aproximado ao calculado de R3. O resistor R4 está entre o potenciômetro e o terra, seu valor é calculado por: Será usado um resistor de 470Ω / 1/8W (valor comercial mais próximo) para R4. 2.3 Cálculo de Rsc Como Rsc está em série com a saída, a corrente máxima que passa por ele é a corrente máxima de saída do filtro capacitivo, no caso 1,0A. Essa corrente deverá produzir uma queda de tensão de igual ao valor do VBE do transistor de potência para que o circuito de proteção contra sobre corrente funcione. Portanto: Será usado um resistor de 0,68Ω/5W (valor comercial mais próximo) para Rsc, como o valor do resistor é maior ele limitará a corrente para um valor menor que 1,0A. Isso não causará nenhum problema já que a corrente máxima é maior que a limitada. 2.4 Cálculo do Capacitor Conforme Datasheet do LM723, o capacitor utilizado na configuração mais próxima foi o 100nF. 2.5 Cálculo do Dissipador O valor resistência térmica do dissipador é dado pela seguinte fórmula e pela curva de resistência térmica da Figura 8: )( CSJC T ambj SA RRP TT R θθθ +− − = onde: RθSA = Resistência térmica do dissipador em °C/W Tj = Temperatura de junção máxima do transistor. Para o TIP 31, Tj =150°C Tamb = Temperatura ambiente. Será considerada 50°C PT = Potência máxima dissipada pelo transistor. É o valor da tensão de entrada, menos Vbe do transistor de proteção, multiplicada pela corrente máxima do circuito. PT= (16-0,65)*1= 15,35W RθJC = Resistência térmica de junção/encapsulamento do transistor. Calculado logo abaixo. RθCS = Resistência térmica de encapsulamento/dissipador. Figura 8 – Curva de Resistencia Térmica No trabalho será o utilizado o encapsulamento TO-220 com montagem direta, a resistência térmica encontrada no gráfico é 1 °C/W. O valor de RθJC pode ser calculado a partir do gráfico retirado do datasheet do transistor, mostrado na Figura 9: Figura 9 – Dissipação de potência x Temperatura (TIP31) onde RθJC é a inclinação da reta do referente gráfico. WCR JC /125,340 25150 °= − =θ Então, o valor de RθSA é: WCRR SASA /01,4)1125,3(35,15 50150 °=→+− − = θθ O dissipador usado no circuito será um de valor comercial mais próximo. 3 DIAGRAMA ELÉTRICO E SIMULAÇÃO O diagrama elétrico do circuito é apresentado na Figura 10 e Figura 11. Esquemas elétricos do circuito com a simulação das medições foram feitos no Multisim 10. Figura 10 – Diagrama elétrico 4V Figura 11 – Diagrama elétrico 12V 4 LISTA DE MATERIAIS Lista de Materiais Quantidade Descrição 1 Osciloscópio com dois canais para visualização (realizar medições em acoplamento DC) 1 Multímetro Digital 1 Um transformador abaixador 127V:15V + 15V 1 Fusível de proteção de vidro - 2A 1 Chave on/off 1 LED verde para demonstração de funcionamento 1 Resistor para controlar a corrente no LED 1K(ohm) e 1/4 potência 1 Capacitor Eletrolítico 3300uF - 25V 1 Conector de cabo de energia com aterramento 1 Conector Kre 2 vias - para interligação da saída do secundário com o circuito 1 Placa PCI 1 Chave seletora bivolt (110/220V) 1 Cabo de alimentação 1 Resistor de carga 15(ohms) 2 Bornes banana 4 Diodos 1N4007 - PIV 1000V – 1A 1 CI LM723 1 Transistor TIP31C 1 Resistor de 1K 1/8W 1 Resistor de 1,2K 1/8W 1 Resistor de 100R 1/8W 1 Resistor de 2,2K 1/8W 1 Resistor de 0,68R 5W 1 Potenciômetro 1K 3 Miscelâneas: caixa de madeira para armazenamento, Parafusos,Tomada etc. 3 Capacitor cerâmico 100nF 50V 5 RELATÓRIO DE TESTES E COMPARAÇÕES A tabela abaixo mostra os valores comparativos entre os cálculos de projeto e resultado obtido. Valores práticos na saída do retificador com filtro capacitivo Valores teóricos Valores práticos Vo (Vdc) 16V 16,47V Io (A) 1,1A 1,05A γ - Ripple (%) 3,5% 3,21% Vs (Vac) 21,33V 19,40V Vo sem carga (Vdc) 19,93V 20,60V Tabela 1 – Comparação entre valores teóricos e práticos Valores práticos para carga de 10 Ω Entrada sem capacitor Entrada com capacitor Saída sem capacitor Sáida com capacitor Vavg 16,60V 16,57V 9,37V 9,35V Vrms 500mV 500,8mV 20mV 20mV Tabela 2 – Comparação entre valores práticos com carga de 10 Ω Valores práticos para carga de 30 Ω Entrada sem capacitor Entrada com capacitor Saída sem capacitor Sáida com capacitor Vavg 18,66V 18,67V 10,48V 10,50V Vrms 375,2mV 202,0mV 1,053V 14,58mV Tabela 3 – Comparação entre valores práticos com carga de 30 Ω 6 CONCLUSÃO DIAGNÓSTICA O resultado alcançado com o projeto foi satisfatório, visto que o mesmo está funcionando dentro das especificações e características solicitadas, já citadas anteriormente neste documento. Os componentes integrantes do circuito, depois de calculados de acordo com suas necessidades particulares, com o projeto já simulado em um software, Multisim, foram adquiridos conforme solicitados, sendo necessário realizar algumas modificações que não trazem malefícios ao projeto e facilitam a aquisição para montagem e possíveis manutenções. Foi o caso do resistor R3 que o valor calculado não fica próximo de um resistor de valor comercial, por isso foi necessário usar uma associação de dois resistores para obter um valor próximo do calculado. De acordo com o item 5 deste relatório, pode-se perceber a variação dos resultados do projeto na teórica e prática, essas diferenças existem pois para efeito de facilitação de cálculos todos os componentes são consideradosideais e possuem valores nominais isentos de qualquer alteração ou influencia externa. Assim como o resistor aqui citado, os capacitores, diodos e transformador possuem faixas de variação que irão alterar o resultado final. 7 FOTOS DA MONTAGEM Fotos da montagem, Figuras 12 a 15. Figura 12 – Foto da placa, visão inferior Figura 13 – Foto da caixa, visão traseira Figura 14 – Foto da caixa, visão frontal Figura 15 – Foto da placa, visão superior 8 GRÁFICOS REAIS EXTRAÍDOS DO OSCILOSCÓPIO • Medições feitas com Carga 10Ω; Figura 16 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador com Capacitor Figura 17 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador sem Capacitor Figura 18 – Tensão de saída sem capacitor Figura 19 – Tensão de saída com capacitor cerâmico 100nF • Medições feitas com Carga 30Ω: Figura 20 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador com Capacitor Figura 21 – Tensão na Entrada do Circuito Regulador sem Capacitor Figura 22 – Tensão de saída com capacitor cerâmico 100nF Figura 23 – Tensão de saída sem capacitor 9 FOLHA DE DADOS - DATASHEET • CI LM723: • TIP31: CONCLUSÃO O desenvolvimento deste trabalho, nas duas etapas que o compõem, ampliou os conhecimentos dos integrantes do grupo dentro da disciplina de Eletrônica Analógica II, na confecção de placas de circuito impresso e nos requisitos para o desenvolvimento de uma fonte retificadora de tensão com filtro capacitivo com saída regulada e linearizada pelo CI LM723, com proteção à sobrecorrente. Foram abordados os princípios básicos das fontes lineares para se projetar uma fonte com uma tensão de saída contínua independente da corrente de saída ou de qualquer ruído na alimentação. Este trabalho exigiu conhecimentos teóricos para os cálculos, conhecimentos práticos para compra dos componentes, uma vez que nem sempre achamos nos cálculos valores comerciais dos mesmos; empenho no caso de ter de pesquisar sobre algum assunto que ainda não dominávamos para concluir o trabalho. Além disso, aplicamos conhecimentos adquiridos na disciplina, o que permitiu associar e desenvolver o projeto com mais maturidade. Esse esforço e empenho trouxe um conhecimento prático, o qual agregou um valor enorme aos integrantes. Cada trabalho deste tipo diminui a sensação de pouco conhecimento que está presente dentre os grandes desafios na carreira profissional. O projeto não exigiu dedicação em um grande espaço de tempo, no entanto exigiu esforços suficientes para a absorção da idéia principal do projeto e sua importante aplicação em um mundo completamente “eletrônico”. Inicialmente foram feitas simulações que permitiram corrigir erros e aprimorar o projeto como um todo. Esta foi, sem dúvida, mais uma etapa importantíssima para o desenvolvimento de profissionais de uma área da Engenharia, tão complexa quanto importante. REFERÊNCIAS 1. Fontes Retificadoras Dimensionamento. Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/eletrn/fontes_110.shtml>. Acesso em: 31 Março 2011. 2. SEDRA, SMITH. Microeletrônica. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. 3. A.M.V. Cipelli e W.J. Sandrini, Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos, Ed. Érica, pág. 46 a 130, 13a. Ed., 1986. 4. Malvino, Albert Paul, Eletrônica, vols. 1 e 2, Ed. McGraw-Hill, SP, 1986. 5. Regulador Série de Tensão. Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/eletrn/fontes_110.shtml>. Acesso em: 19 de Novembro 2010.
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