DE1001347B - Amplitudenbegrenzer zur symmetrischen Begrenzung von Wechselspannungen - Google Patents
Amplitudenbegrenzer zur symmetrischen Begrenzung von WechselspannungenInfo
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Description
DEUTSCHES
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t. BI.
Neues ANMELDE TAG:
W 17016 VIII a/21a4 5. JULI 1955
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 24. JANUAR 1957
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 24. JANUAR 1957
Die Erfindung betrifft einen Amplitudenbegrenzer, der insbesondere zur Begrenzung der Ausgangsspannung
eines Oszillators, z. B. eines Transistoroszillators, benutzt werden kann.
Mit der Erfindung wird der Zweck verfolgt, die positiven als auch die negativen Amplituden einer
Wechselspannung in möglichst einfacher Weise zu begrenzen; zugleich soll bei dieser Begrenzung eine
vervollkommnete Symmetrie hinsichtlich der positiven und negativen Amplituden verwirklicht werden.
Insbesondere wird angestrebt, die Amplitude der durch einen Transistoroszillator erzeugten Schwingungen
genau auf einem vorbestimmten Pegel zu halten und Abweichungen von diesem Pegel zu verhindern.
Bei TrägeTfrequenz-Telefonübertragungssystemen mit Transistoren ist es besonders wichtig, daß der
Pegel der durch jeden Trägerfrequenzoszillator erzeugten Schwingungen dauernd konstant bleibt. Der
Spielraum für Erscheinungen wie Pfeifen, Übersprechen und Echos ist bei einem derartigen System
klein, damit die Gesamtdämpfung des Systems auf den kleinstmöglichen Wert verringert werden kann.
Unerwünschte Änderungen des Trägerpegels können daher ernsthafte Schwierigkeiten verursachen.
Bisher wurde der Amplitudenpegel der durch einen Trägerfrequenzoszillator erzeugten Schwingungen
gewöhnlich im wesentlichen dadurch konstant gehalten, daß entweder die Gleichstromvorspannungen
und die Netzspannungen, die zum Abwandern neigen und dabei den Amplitudenpegel der Ausgangsschwingungen ändern, geregelt werden, oder daß Begrenzungsschaltungen
vorgesehen werden, welche verhindern, daß die positiven und negativen Amplituden
der Ausgangsspannungen vorbestimmte Werte überschreiten. Regelschaltungen für Gleichstromquellen
und für andere Elemente, die dazu neigen, Pegeländerungen hervorzubringen, sind aber oftmals verhältnismäßig
kompliziert, während sich herausgestellt hat, daß Begrenzungsschaltungen in der bisherigen
Technik leicht gewissen Ungeoauigkeiten unterworfen
sind.
Die bisher am meisten verwendete Schaltung zur Begrenzung von positiven und negativen Amplituden
einer Wechselspannung hat die Form von zwei entgegengesetzt gepolten vorgespannten gleichrichtenden
Elementen, die parallel zu einer Leitung liegen, die die zu begrenzende Wechselspannung führt. Jedes
gleichrichtende Element ist mit einer Gleichstromvöfspannung in Sperriohtung versehen, deren Größe
gleich dem Pegel ist, bei dem die Begrenzung stattfinden soll. Wenn die Signalamplitude in einer der
beiden Polaritäten die Größe der Vorspannung überschreitet, ergibt das entsprechende gleichrichtende
Element einen niederohmigen Weg parallel zur Lei-
Amplitudenbegrenzer zur symmetrischen Begrenzung von Wechselspannungen
Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt, Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7
Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 17. September 1954
Earl Kenneth Van Tassel, Westfield, N. J., und Robert Emely Yaeger, Bedminster, N. J. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
tung, wobei die Signalamplitude auf die Größei der Vorspannung begrenzt wird. Eine solche Schaltung
hängt jedoch bezüglich ihrer Genauigkeit sehr von der Größe der jeweiligen Vorspannungen ab. Wenn die
Gleichspannungen abwandern, so wandert auch die endgültige Amplitude der Wechselspannung ab, die
begrenzt werden soll.
Die Erfindung ermöglicht es, eine Wechselspannung sowohl bezüglich der positiven als auch bezüglich der
negativen Amplituden symmetrisch zu begrenzen, ohne auf die Genauigkeit der Vorspannungen und der
Netzspannungen angewiesen zu sein. Die Möglichkeit einer Abwanderung des Pegels infolge Änderungen
der Vorspannungen im Begrenzer ist dabei vollständig ausgeschlossen, und die Amplitude· der begrenzten
Wechselspannung bleibt stets auf einem konstanten Pegel. Bei einem Trägerfrequenz-Telefonsysitem
mit TrägerfTequenzoszillatoren gemäß der Erfindung ist die Möglichkeit, daß Pfeifen, Übersprechen
oder Auftreten von Echos durch ungewollte Trägerpegeländepungen verursacht werden,
ausgeschaltet. Die Erfindung lehnt sich an die an sich bekannte Verwendung von p-n-Dioden zur einseitigen
unsymmetrischen Begrenzung an und nutzt diese Verwendbarkeit in der Weise zur Verwirklichung
der verfolgten Ziele aus, daß die Reihenschaltung eines Kondensators mit einer Entladezeit, welche
wenigstens mehrere Male größer ist als dlie kleinste Periodendauer der Wechselspannung», und einer
609 767/303
p-n-Verbindungsdiode, die ein im wesentlichen konstantes
Spannungsgebiet in der Sperrkenndinie für angelegte Spannungen oberhalb eines kritischen Wertes
aufweist, an die Klemmen der zu begrenzenden Spannung geschaltet ist.
Die Amplituden der einen Polarität werden durch die Diodenkennlinie in Durchlaßrichtung begrenzt,
während die Amplituden der anderen Polarität durch das Lawinendurchschlagsgebiet der Diodensperrkennlinie
begrenzt werden.
Der Amplitudenbegrenzer im Sinne der vorliegenden Erfindung hebt sich in vielfacher Hinsieht von
der früheren Technik vorteilhaft ab. Der Begrenzer ist nicht nur völlig unabhängig von der Größe der zur
Abwanderung neigenden Gleichspannungsquellen zur Bestimmung der Amplitude der begrenzten Wechselspannung,
er ist auch weit-einfacher ale als die Einrichtungen,
die früher für die gleiche Funktion verwendet wurden. Es sind nur zwei Schaltelemente erforderlich,
so daß es nicht notwendig ist, zwei getrennte Gleichrichter mit engen Toleranzen aneinander
anzupassen. Weiterhin ist es weder notwendig, getrennte Vorspannungsbatterien für den Begrenzerkreis
nodh Anschlüsse zu einer anderen verfügbaren
Gleichstromquelle vorzusehen.
Ein besonders wichtiger Anwendungsfall der Erfindung liegt im Zusammenwirken mit einem Transistoroszillator,
der zur Verwendung als Trägerfrequenzoszillator in einem Trägerfrequenz-Telefonübertragungssystem
mit Transistoren geeignet ist. Dabei ist ein piezoelektrischer Kristall zwischen die
Transistoreingangs- und -ausgangsklemmen geschaltet, um die Anbeitsfrequenz festzulegen, ferner
ist ein auf die gewünschte Trägerfrequenz abgestimmter Parallelresonanzkreis an die Oszillatorausgangs'klemmen
gelegt, um die richtige Arbeitsweise des Kristalls zu erhalten und irgendwelche erzeugte
Harmonische auszufiltern; und schließlich liegt eine Lawinendurchschlagsdiode in Reihe mit
einem Kondensator parallel zu dem Parallelresonanzkreis, um eine symmetrische Begrenzung sowohl der
positiven als auch der negativen Amplituden der Oszillatorausgangsschwingung zu verwirklichen.
Die Erfindung läßt sich auch in Form eines Rückkopplungsoszillators
verwirklichen, bei dem die Kombination eines Kondensators und einer Lawinendurchschlagsdiode
statt der Sättigungskennlinien des Verstärkungselements benutzt wird, um die Verstärkung
des Rückkopplungskreises auf Eins einzustellen. Ein solcher Rückkopplungsoszillator enthält
ein Verstärkung hervorbringendes Mittel, ein frequenzbestimmendes Mittel zur Festlegung der
Schwingfrequenz und ein Begrenzungsmittel zur Einstellung der Verstärkung im Rückkopplungskreis
auf Eins. Bisher beruhte die Begrenzung der meisten Rückkopplungsoszillatoren auf der Sättigung der die
Verstärkung hervorbringenden Einrichtung, z. B. der Vakuumröhre oder des Transistors, welche die Verstärkung
des Kreises auf Eins einstellen und die Amplitude der Schwingungen festlegen. Sättigungskennlinien
von Transistoren und Vakuumröhren neigen jedoch dazu, sich mit den angelegten Batteriespannungen
zu ändern; infolgedessen unterliegt die Amplitude der - erzeugten Schwingungen leicht
Änderungen. Erfindungsgemäß wird ein Rückkopplungsoszillator im Rückkopplungskreis mit einer
Reihenschaltung eines Konidensators und einer Lawinendurchschlagsdiode versehen. Wie bereits gesagt/
hat "der Kondensator eine Entladezeit, die wenigstens einigemal größer als die Periodendauer
der erzeugten Schwingungen ist. Die Verstärkung hervorbringende Einrichtung des Oszillators weist
eine Verstärkung auf, die größer ist als sie zum Erreichen des durch den Begrenzer festgelegten
Pegels notwendig ist, um sicherzustellen, daß die Begrenzung ohne Rücksicht auf voraussichtliche Änderungen
der Vorspannungen und Netzspannungen wirkt. Der Kondensator und die LawiLnendurchsdhlagsdiode
arbeiten zusammen, um die Verstärkung ίο des Rückkopplungskreises auf Eins einzustellen. Der
Pegel der Ausgangsschwingungen bleibt hierdurch stets konstant und ist unabhängig von Änderungen
der Sättigungskemilinien der die Verstärkung hervorbringenden
Vakuumröhre oder des Transistors, die durch Gleichspannungsänderungen verursacht
sind.
Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung läßt sich an Hand der folgenden ins einzelne gehenden
Erläuterung einiger spezieller Ausführungsbeispiele erzielen.
Erklärung der Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine verallgemeinerte Darstellung eimer Ausführung der Erfindung;
Fig. 1 ist eine verallgemeinerte Darstellung eimer Ausführung der Erfindung;
Fig. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einer
typischen Diode mit einem Lawinendurchschlagsgebiet in der Sperrkennlinie;
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Trägerfrequenz-Transistoroszillator
;
Fig. 4 zeigt einen anderen erfindungsgemäßen Trägerfrequenz-Transistoroszillator.
Die in Fig. 1 dargestellte verallgemeinerte Ausführung der Erfindung enthält eine Wechselstromsignalquelle
11 mit einem Begrenzungskreis, der an die Ausgangsklemmen geschaltet ist. Erfindungsgemäß
enthält der Begrenzungskreis eine Lawinendurchschlagsdiode 12, die in Reihe mit einem Kondensator
13 liegt.
Die Diode 12 ist eine p-n-Verbindungsdiode, die zusätzlich zu dem üblichen niedrigen Widerstand in
Durchlaß richtung eine Sperrikennlinie aufweist, die sowohl, ein Gebiet mit einem höhen Widerstand für
angelegte Spannungen unterhalb eines kritischen Werts als auch ein gut definiertes Gebiet mit im
wesentlichen konstanter Spannung für angelegte Spannungen oberhalb des kritischen Wertes aufweist
Zum Beispiel sind Dioden dieser Art in einem Aufsatz von G. L. Pearson und B. Sawyer, »Silicon
P-N Junction Alloy Diodes«, beschrieben, der auf S. 1348 der Ausgabe der Proceedings of the I. R. E
vom November 1952 erschienen ist. Die Entladezeit des Kondensators 13 ist wenigstens mehreremal
größer als die kleinste Periodendauer der durch die Wechselstromquelle 11 erzeugten Signalschwingung.
Fig. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien der p-n-Verbindungsdiode 12 in der Ausführung der Erfindung
in Fig. 1. Wie ersichtlich ähnelt die Kennlinie der Diode 12 denjenigen vieler gleichrichtender
Einrichtungen im Durchlaßgebiet und im Sperrgebiet für Spannungen unterhalb des kritischen Wertes oder
des Lawinendurchschlagswertes Vc. Die Diode 12 hat
in Durchlaßrichtung einen sehr kleinen Widerstand (in einer Größenordnung, die in Ohm zu messen ist)
und in Sperrichtung für angelegte Spannungen unter"
halb Vc einen sehr hohen Widerstand (in einer Größenordnung, die in Megohm zu messen ist). Für
angelegte Spannungen oberhalb Vc ist die Diode jedoch
eine Einrichtung mit im wesentlichen konstanter Spannung mit einem sehr kleinen Widerstand (in
einer Größenordnung, die wieder in Ohm zu messen ist).
5 6
Bei den Ausführungen der Erfindung wird die den Widerständen 19 und 20 mit der ungeerdeten
Lawinendurchschlagsspannung der Diode 12 so ge- Seite des Überbrückungskondensators 17 verbunden
wählt, daß sie im wesentlichen gleich dem doppelten ist.
Wert ist, auf den die Spitzenamplitude der Ausgangs- Eine Spule 22 und ein Kondensator 23 liegen
schwingung des Oszillators 11 begrenzt werden soll. 5 parallel zwischen der Sammelelektrode des Tran-
Der Pegel, auf den die Spitzenamplitude der Aus- sistors 15 und Erde und sind auf die Frequenz ab-
gangsschwingung des Oszillators 11 begrenzt werden gestimmt, mit der der Kreis schwingen soll. Die
soll, wird seinerseits so gewählt, daß er auf jeden Sammelelektrode des Transistors 15 ist zusätzlich
Fall unter der Amplitude der Schwingung ohne Be- über die Reihenschaltung eines ersten Wiederstandes
grenzung liegt, damit man einen genügenden Spiel- io 24, eines zweiten Widerstandes 25 und einer nega-
rautn hat, um zu verhindern, daß Faktoren, wie eine tiven Gleichstromquelle 26 zur Erde zurückgeführt.
Abwanderung der Gleichspannungsquellen des Os- Von einem Punkt zwischen den Widerständen 24 und
zillators, die endgültige Amplitude der Ausgangs- 25 ist ein Frequenz bestimmender piezoelektrischer
schwingung beeinflussen. Kristall 27 zu einer Seite der Primärwicklung dies
Im eingeschwungenen Betriebszustand der Aus- 15 Transformators 16 geführt, deren andere Seite ge-
fülhrung der Erfindung in Fig. 1 werden positive erdet ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem
Ausschläge der Signalschwingung diurch das Widerstand 25 und der Gleichstromquelle 26 ist un-
Lawinendurchschlagsgebiet der Sperrkennlinie der mittelbar mit dem gemeinsamen Punkt zwischen den
Diode 12 begrenzt, während negative Ausschläge Widerständen 18 und 19 im Weg zwischen der
durch die Durchlaßkennlinie begrenzt werden. Bevor 20 Steuerelektrode des Transistors 15 und der Erde ver-
jedoch der eingeschwungene Zustand erreicht ist, be- bunden. Erfindungsgemäß liegen ferner eine Lawinen-
steht ein Übergang wenigstens für mehrere Perioden durchschlagsdiode 12 und ein Kondensator 13 in
der Signalschwingung. Anfangs werden die negativen Reihe zwischen der Sammelelektrode des Transistors
Halbperioden der Signalschwingimg durch die Durch- 15 und Erde.
laßkennlinie der Diode 12 vollständig abgeschnitten, 25 Die bis hierher beschriebenen Elemente bilden
während die negativen Halbperioden erst begrenzt einen Transistor-Trägerfrequenz-Oszillator, der mit
werden, wenn sie den Wert Vc erreicht haben. einer symmetrischen Begrenzung gemäß der Erfin-
Mit jeder folgenden Periode der Signalschwingung dung versehen ist. um die Verstärkung des Rückkoppbildet
sich jedoch die Ladung des Kondensators 13 kingskreises auf Eins einzustellen. Der Transistoraus.
Da seine Entladezeit wenigstens einigemal langer 30 kreis ist eine sogenannte Schaltung mit gemeinsamer
als die kleinste Periodendauer der Signalschwingung Steuerelektrode, und der Transformator 16 ist so gegewählt
ist, kann sich der Kondensator 13 nicht polt, daß er Signale von der Sammelelektrode des
während einer einzigen Periode vollständig entladen. Transistors 15 in Phase zur Basiselektrode rückWenn
sich die Ladung auf dem Kondensator 13 aus- koppelt. Auf diese Weise wird bewirkt, daß der Kreis
zubilden beginnt, fängt die Diode 12 an, einen immer 35 Schwingungen mit einer Frequenz liefert, die im
größeren Teil der negativen Ausschlage der Signal- wesentlichen durch den piezoelektrischen Kristall 27
sdiwingung ohne Begrenzung durchzulassen und bestimmt ist. Die Diode 12 und der Kondensator 13,
dementsprechend immer kleinere Teile der positiven die Merkmale der Erfindung darstellen, arbeiten in
Ausschläge. Wenn schließlich das Gleichgewicht er- der an Hand der Fig. 1 beschriebenen Weise und
reicht ist, so ist die Spannung auf dem Kondensator 40 liefern eine symmetrische Begrenzung sowohl der
13 gerade halb so groß wie die Lawinendurcbschlags- positiven als auch der negativen Ausschläge des entspannung
V1. der Diode. Der Pegel der negativen stehenden Signals im eingeschwungenen Zustand und
Ausschläge des Signals, der durch die Durchlaßkenn- stellen die Verstärkung des Rückkopplungskreises
linie der Diode 12 begrenzt ist, ist dann gleich dem auf Eins ein. Der aus der Spule 25 und dem Konden-Pegel
der positiven Ausschläge, der durch das 45 sator 23 bestehende abgestimmte Kreis trägt dazu
Lawinendurchschlagsgebiet der Sperrkennlinie be- bei, sicherzustellen, daß der Kristall 27 in der beabgrenzt
ist. Die während eines Ladezeitraums an den .sichtigten Form schwingt, indem er eine starke VerKondensator
13 angelegte Spannung ist dann nur der ringerung der Verstärkung aller Frequenzen außer
halben Lawinendurchschlagsspannung Vc der Diode denjenigen in der Nähe der Kristallgrundfrequenz
gleich. Die Ladung auf dem Kondensator 13 bleibt 50 bringt und es unwahrscheinlich macht, daß eine ausdanach
im wesentlichen konstant. Die Begrenzung ist reichende Verstärkung von Schwingungen anderer
symmetrisch zu den positiven und negativen Aus- Formen vorhanden ist. Zusätzlich sucht der abschlagen
der Signalschwingung und nicht von der gestimmte Kreis Harmonische zu beseitigen, die sich
Größe irgendwelcher angelegter Gleichstromvorspan- sonst durch die Begrenzungs wirkung der Diode 12
nungen abhängig. 55 und d~s Kondensators 13 ergeben würden. Die ent-
Eine spezielle Ausführung der Erfindung, die sich stehende Signalschwingung, die zwischen dem
für ein Trägerfrequenz-Telefonsystem besonders Widerstand 24 und Erde erscheint, ist im wesent-
eigiK't, ist in Fig. 3 dargestellt, wo die Quelle für das liehen eine reine Sinusschwingung mit einer Spitzen-
zu begrenzende Wechselstromsignal ein Träger- amplitude, die gleich der halben Lawinendurch-
frequenzoszillator ist, der einen Transistor 15 als 60 schlagsspamiung der Diode 12 ist, bzw. mit einem
Verstärkung hervorbringendes Element benutzt. Die r*„ Λ .■ , , 1 r _«. j τ» ι. _λ.ι
■ο . , , &, , „ &. ._..., ,.O1 Lffektivwert von dem „ ,_-fachen der Durchschlags-
rsasiselektrode des 1 ransistors 15 ist über die Sekun- 2 j 2
därwicklung eines Phasenumkehrtransformators 16 spannung.
mit einer Seite eines Überbrückungskondensators 17 Um den Pegel der amplitudenbegrenzten Schwin-
verbunden, dessen andere Seite geerdet ist. Die 65 gungen zu erhöhen, die zwischen dem Widerstand 24
Steuerelektrode des Transistors 15 ist über drei und Erde bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung
Rei'henwiderstände 18, 19 und 20 mit Erde verbun- der Erfindung erscheinen, wird ein zweiter Transistor
den. Ein Überbrückungskondensator 21 ist zwischen 28 vorgesehen. Der Transistor 28 hat ebenfalls die so-
die Steuerelektrode des Transistors 15 und Erde ge- genannte Schaltung mit gemeinsamer Steuerelek-
sehaltet, während der Verbindungspunkt zwischen 70 trode. Seine Basiselektrode ist unmittelbar mit dem
Claims (5)
1. Amplitudenbegrenzer für Wechselspannungen zur symmetrischen Begrenzung sowohl der positiven
als auch der negativen Amplituden, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung eines
Kondensators mit einer Entladezeit, welche wenigstens mehrere Male größer ist als die kleinste Periodendauer
der Wechselspannungen, und einer p-n-Verbindungsdiode, die ein im wesentlichen konstantes Spannungsgebiet in der Sperrkennlinie
für angelegte Spannungen oberhalb eines kritischen Wertes aufweist, an die Klemmen der
zu begrenzenden Spannung geschaltet ist.
2. Amplitudenbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzer an einen
Oszillatorausgang angeschaltet ist.
3. Amplitudenbegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kritische Spannung
der Diode, oberhalb der die Sperrkennlinie im wesentlichen konstant ist, im wesentlichen doppelt
so groß ist wie der Begrenzungswert sowohl der positiven als auch der negativen Ausschläge der
zu begrenzenden Spannung.
4. Amplitudenbegrenzer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode und- der
damit in Reihe liegende Kondensator über dem Rückkopplungsweg des Oszillators liegen, wobei
der Rückkopplungsweg einen frequenzbestimmenden piezoelektrischen Kristall enthält.
5. Amplitudenbegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Klemme der zu begrenzenden Spannung bzw. eine Oszillatorausgangsklemme geerdet ist und daß die
p-n-Diode so gepolt ist, daß die Durchlaßrichtung von der geerdeten zur nichtgeerdeten Klemme
führt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 917 130;
französische Patentschrift Nr. 1 048 373.
Deutsche Patentschrift Nr. 917 130;
französische Patentschrift Nr. 1 048 373.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 6G9 767/3IB 1.57
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US1001347XA | 1954-09-17 | 1954-09-17 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1001347B true DE1001347B (de) | 1957-01-24 |
Family
ID=22278259
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEW17016A Pending DE1001347B (de) | 1954-09-17 | 1955-07-05 | Amplitudenbegrenzer zur symmetrischen Begrenzung von Wechselspannungen |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE1001347B (de) |
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1955
- 1955-07-05 DE DEW17016A patent/DE1001347B/de active Pending
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