13GB5 X 8 PP 암프의 설계 제작 (I)

조회 수: 6, 2016-05-02 01:46:10(2016-05-02)

13GB5 X 8 PP 암프의 설계 제작 (I)

오디오 마니아들 간에는 그리 큰 인기가 없는 듯 보이지만 나에게는 맥인토시의 Mc275암프가 진공관 암프  성능의 표준이었다.  물론 나는 음악을 감상하는 대부분의 시간을 자작암프를 듣는데 할애하기 때문에 275는 거의 사용하지 않고 있다. 그렇지만 새로운 암프를 자작하여 성능을 평가할 때마다 Mc275암프가 그 비교 대상이 되었었다.  그런데 이제 이 암프와도 작별을 해야될 것 같다.  큰 아들 녀석이 이 암프를 탐내서 자신에게 양도해 줄 것을 원하고있기 때문이다.  나에게는 어차피 거의 사용하지 않는 암프라서 큰 아들 녀석이 원하는 대로 암프를 주기로 하였다.  그런데 그래도 마음 한 구석이 섭섭하여 Mc275를 대신할 새 암프를 제작해 보기로 마음을 먹었는데 그런 동기에서 시도한 암프가 채널 당 13GB5  8개를 출력관으로 사용한 이 암프다.

성능목표

제작 동기가 Mc275 대용품을 만들 자는 것이지만 성능 목표는 일단 오디오 암프의 국제 표준 IEC 60268 에 나온 암프 성능 규격을 목표로 해 보자는 생각이 들었다.  물론 Mc275의 성능규격도 이와 크게 다르지 않다.  이 규격은 다음과 같다:

 

주파수 특성:  20Hz/20KHz, +- 0.5dB 이내,

전 고조파 찌그러짐:  전 주파수 대역에서 0.2% 이내,

혼변조 찌그러짐:  0.3% (50Hz, 7KHz ,4:1) 이내,

신호대 잡음비:  80 dB 이상,

채널간 불균형: 2 dB 이내,

채널 분리도: 40dB 이상,

그리고 출력은 10W 이상으로 규정되어 있다. 

 

일단 목표는 이렇게 정했지만 이런 성능 표준은 개인이 취미삼아  만든  암프로는 달성하기 어려운 것이 사실이다.  특히 이런 성능을 부궤환 등 별 특별한 회로 기술의 기교를 동원하지 않고 달성한다는 것은 매우 지난한 일로 생각된다.

그런데 아마츄어로서도  모든 면에서 불리한 것만은 아니다.  상업적 제조회사들의 제약조건이 아마츄어에게는 해당되지 않거나  쉽게 피할 수 있는 부분도 분명 존재한다고 생각된다.  

이런 의미에서 모든 부분을 모두 달성하지 못한다 하더라도 이와 비슷한, 그렇지만 음질면에서는 전혀 손색이 없는 암프 제작에 도전해 보기로 마음을 먹었다.  우선 목표치를 다음과 같이 정했다:

출력: 50W 내외

주파수 특성 : 전 출력에서 20Hz-20 KHz, -1dB 내외,  

디스토션: 모든 출력 레벨, 모든 주파수 대역에서 0.5% 이내

혼변조: ?

출력단 설계

MC275 암프는  출력단에 소위 unity-coupled 트랜스를 채용한 특수한 회로로 구성되어 있다.  근래에는  여기에 사용한 것과 비슷한 출력트랜스를 구할 수 없는 것은 아니지만 출력단을 순수한 A급으로동작시킬 경우에는 이런 복잡한 회로를 채용할 필요는 없다고 생각하였다.  맥킨토시 사의 설계 철학은 AB급 동작으로 바이어스를 비교적 깊게 걸어 출력을 높이자는 것이었고, 그  과정에서 발생하는 크로스오버 디스토션을 방지할 목적으로 unity-coupled 회로를 개발했지만 필자의 생각은 출력단을 순수한  A급으로 동작시킴 으로서  PP암프를 AB급으로 동작시킬 경우 발생할 수 있는 크로스오버 디스토션의 우려를 원천적으로 차단시키자는 것이었다.  

그래서 출력관을  A급으로 동작시킴은 물론 출력관에 3극관을 택하여 회로를 단순화 시키고 동시에 큰 노력없이 찌그러짐을 최소화 하자는 생각이었다.  물론 이런 선택은 효율을 희생시키는 셈이지만 아마츄어의 입장에서 이런 희생 없이 회사 제품과 성능을 겨루기는 어렵다는 생각이다.

출력이 대략 30~50W 정도가 되면 대부분의 스피커를 구동하는데에는 큰 문제가 없다는 생각에 목표치를 대략 50W 정도로 생각해 두었다.  이런 정도의 출력이라면 대형 3극관인 845를 택한다면 두개의 출력관 만으로도 가능하겠지만 고압전원이 요구되어 경비도 많이 들고 출력트랜스도 비싸지기 때문에 여러가지 측면에서 매력적인 소형 출력관인 13GB5를 동원해 보기로 하였다.  3극관 결합의 13GB5 한벌 (즉 2개)을 PP로 하면 보수적으로 계산해도 15W정도는 어렵지 않게 얻을 수 있을 것이고 4벌, 즉 8개를 동원한다면 적어도 60W의 출력을 예상할 수 있다고 생각하였다.

모든 일이 그렇듯이 출력관을 여러개 사용하는데에도 장단점이 있다.  단점이라면 여러 출력관 사이의 발란스를 맞춰주어야 하는 필요성이 생기고 입력 커패시턴스가 커지니 이에 대비해야 한다는 점이고 또 한편으로는 출력관 자체는 물론 소켓 등 파트 카운트가 커진다는 점일 것이다.  그래서 경비문제가 대두될 수도 있다. 첫번째 단점이 특히 중요하지만 두번째 단점은 그리 큰 문제는 아니다.  또 경비문제는 13GB5라면 오히려 저렴하다.

반면에 두드러진 장점이라면  출력관이 여러개 병렬로 동작하게 되느니 만큼 출력단의 내부저항이 작아져서 출력트랜스 설계가 상당히 편해진다는 점일 것이다.  특히 출력트랜스 까지 자작을 하려는 경우에는 이 점이 특히 중요하다.  3극관 결합의 13GB5는 양극 저항이 460옴 내외로서  상당히 낮은 편이다.

3극관 결합의13GB5는 또한 요구되는 드라이빙 전압이 피크치로  60V내외로서 80V혹은 그 이상이 요구되는 대부분의 중형 혹은 대형 3극관 보다  드라이버단의 설계를 용이하게 해 준다.  한편, 필자는 3극관 결합의 13GB5 4개를 병렬로한 싱글 암프를 제작해 보았던 경험에 비추어 그 음질이 845 혹은300B등 전통적으로 선호되고 있는 고가의 3극관들에 비해 결코 손색이 없다는 결론을 얻었었다.

13GB5 (3결)의 동작점은 양극 전압 350V, 양극전류  62mA로 잡아주었다.  이 때의 양극 손실은 22.4W가  된다.  이는  13GB5의 최대 허용 양극손실 17W를 상당히 상회하는 수준이지만 3극관 결합시에는스크린 그릿드 허용손실 5W가 더해질 수 있으니 최대 허용손실을 크게 넘지는 않는다. 

그렇다면 양극간 부하임피던스를 어느 정도로 잡아주어야 할까?  흔히 13GB5(3) 하나를 싱글로 하는경우 출력트랜스 1차 임피던스는 대략 3.5 Kohm 정도로 잡아주면 좋다.  4개를 파라로 하여 싱글을 만드는 경우는 그 4분지 1인 875옴 정도가 될 터인데 이를 pp암프에 그대로 적용해서 사용한다면 양극간 부하 임피던스는 그 4배 (출력트랜스 1차 권수는 양극과 출력트랜스 중간 탭간의 권수의  2배임으로 임피던스로는  4배가 된다)가 되어 3.5 Kohm이 된다는 계산이 된다.  그러나 이렇게 단순한 계산은 틀린 계산이다.  PP암프의 경우 적정 부하 임피던스를 정하려면 컴포짓 특성곡선을 그려서 결정해야 한다.  pp암프의 출력단은 단순히 싱글 암프 2개로 생각할 수 없는 점이 있다.  이는 출력트랜스의 1차측의 두 권선이 자기적으로 결합되어 있다는 점에 기인하는 측면이 있다.

강박사님이 측정하신 3극관 결합 13GB5의 특성곡선을 가지고 컴포짓 특성곡선을 그려 시도해 보았지만 pp간 부하를 1Kohm 내지 2kohm으로 할 수 있겠다는 결론을 얻었을 뿐 적정 임피던스를 구하지는못했었다.  이 암프의 경우 출력트랜스를 제외한 암프 전체의 배선을 끝내고 임시 출력트랜스를 결선하여 실험을 해 보았었다.  실험에 사용된 출력트랜스는 UTC사의 LS666이라는 제품으로 원래 트랜지스터용으로 설계된 것으로 1차 2옴 (혹은 8옴) 2차 125옴 (혹은 500옴)이었는데 이것을 1차를 2차로 2차를 1차로 사용하여 500옴:2옴 트랜스로 사용하였다.  이 트랜스의 1차 인닥탄스는 나의 LCR메터로 쟀을 때 3.5H가 채 되지 않는다.

이 트랜스의 2옴 단자에 4옴 을 연결하면 1차측 임피던스는 1 K Ohm이 되는 셈인데 여기에 4옴, 6옴,혹은 8옴 부하저항을 연결하여 실험을 해 본결과  실효적 1차 임파던스가   1K Ohm 일때  60.5 W,  1.5K 0hm 일때 80W,   2K Ohm일때  68W,  2.5K Ohm일때  54.5W,  3K Ohm일때  44W를 얻을 수 있었다. 이  실험결과에 따르면  PP간 최적 부하임피던스가 1.5 KOhm 내외인 것이 되는 셈인데 그보다 약간 더 큰 1 .6 KOhm 내외로 잡아주었다.  출력트랜스 제작도 여기에 맞추어서 제작하였다.

그런데 정작 R 코아로 출력트랜스를 완성하여 실험해 보니 상당한 출력감소가 관찰되었다.  처음 실험에 사용한 출력트랜스는 권수비가 15.8:1 이었는데 필자가 R코아로 제작한 출력트랜스는 권수비 20:1로서 1차 1440회,  2차  4옴 기준,  72회, 1차 인닥탄스 10H 였다.   이 트랜스로는 4옴 부하 때 출력이 50W, 8옴 부하 때 60W가 나왔다.  2차 권수를 4옴 기준 91회로 해 준다면, 4옴 부하에서 60W를 얻을 수있다는 생각이 드는데 이는 차후에 시도해 볼 생각이다.

출력관 간의 전류 발란스

다수의 출력관을 병렬로 연결하여 작동시킬 경우 출력관 간의 전류발란스가 풀어야 할 중요한 문제다. 특히 PP인 경우에는 “push” 부분과  “Pull” 부분의 전류가 동일해야  출력트랜스 1차측의 직류성분이 상쇄된다.

처음 시도에서는  출력관의 동작전류를 측정하여 관을 선별하는 식으로 해 보려고 시도하였지만 8개나 되는 출력관의 전류 발란스를 맟추기는 매우 시간이 걸리는 일로 판명되었다.  결국 출력관 캐소드에 CCS(정 전류원)를 장착하여 전류 발란스를 맞추었다.  CCS는 오래전에 Walt Jung이 오디오 익스프레스란 잡지에 발표했던 회로를 채용하였다.  

CCS에서의 손실을 최소로 하기 위해 CCS 양단에 걸리는 전압을 CCS의 정상적 동작에 요구되는 최소한의 전압으로 낮추어 주었다.  이 회로의 경우 실험을 해 본 결과 양단 전압을 15V에서 20V정도로 하면 잘 동작하였다.

드라이버 단

다수의 출력관을 사용할 경우 걱정해야 할 또 다른 문제는 입력 커패시턴스가 커진다는 점이다.  이는 상당히 견고한 드라이버를 요구하게 되는데 이런 종류의 암프, 즉 다수의 출력관을 사용한 암프의 회로를 보면 드라아버 단에 캐소드 훨로워를 채용하고 이를 출력단과 직결하고 있는 것을 볼 수 있다.  실례로는MC3500이 있고 MC275에서도 다수의 출력관을 사용하고 있지는 않지만 이 회로를 사용하고 있다.  진공관 전성시대의 대가 중 한사람인 Crowhurst는 특히 이 회로를 권하고 있다.  이 암프의 구동단에서도 CF(캐소드 훨로워) 드라이버를 출력단에 직결하였다.

드라이버 단 전체 설계는 MC275, Luxman A3000, 그리고 글래스 오디오에 발표되었던 LW6-180 암프 회로를 참조하였다.  LW6-180이라는 암프는 6LW6 PP암프로 90W의 출력을 내는 암프다.

초단에도 CF를 채용하였는데 이는 소스 인디펜던스를 달성하기 위함이다.  즉 이 암프에 연결되는 소스기기에 추가적인 부하가 되는 것을 피하려는 것이다.  내부 임피던스가 비교적 높은 소스라도 찌그러짐을 발생시키지 않고 연결이 가능하도록 하는 조치다.  멕킨토시사의 고급 암프 MC3500도 초단이 CF단으로 되어 있다.

다음 단은 평범한 캐소드 접지 증폭회로다.  처음 설계에서는 이 단을 생략하고 바로 위상반전 회로에 직결할 생각을 했었지만 이득의 부족으로 충분한 부궤환을 걸 수 없는 경우를 염려하여 계획을 변경하였었다.  특히 사용진공관을  모두 저증폭율의 6GU7으로 결정하였기 때문이기도 하다.  6GU7은 증폭율이  17로 증폭율이 20 정도인 12AU7과 비슷한 특성이지만 내부저항이 5Kohm으로 낮은 편이다. 이 증폭단은 그 다음의 위상반전 회로와 직결하였다.

위상반전 회로는 Schmitt 위상반전 회로라는 것으로 Mac275와 동일한 회로다.  이 회로는 과거 일본잡지(무선과학)의 제작기사에서도 흔히 볼 수 있었다.  여러가지 고려로 이 회로가 가장 선호할만 하다는 다른 제작자의 권고를 받아들인 셈이다.  다음 단의 차동증폭기와는 통상적인 RC 카풀링인데 바이어스를 걸어주는 회로는 MC275와 다르게  되었다.  필자의 경우에는  위상반전단의양 양극 전압이 너무나도 차이가 나서 다음 단의 발란스를 잡아 줄 수 없었다.  따라서 MC275의 경우와 같이 위상반전관의 양극 전압을 전압 분배기를 통해 다음단 그릿드에 넣어주는 방법은 잘 작동하지 않았다.  따라서 통상적인 셀프바이어스를 사용하였다.

이 차동증폭단은 다음의 CF 드라이버단에 역시 RC 카풀링으로 연결된다.  앞서 언급힌 대로 이 CF드라이버단은 출력관 그릿드에 직결된다.  이 단은 고정바이어스를 사용하고 있는데 CF단의 양 캐소드를 대략 -45V 정도가 되도록 가변저항기를 조절하도록 하였다.  이렇게 되면 출력관 캐소드에 대략 15V 내외가 걸리고 출력관 바이어스는 대략 60V 내외가 된다.  각 출력관의 전류는 CCS로 62mA가 되도록 하였고 이는 CCS 에 연결된 10옴 양단의 전압을 재 봄으로 확인할 수 있다.

13GB5(3)는 그릿드에 그리 큰 전압 스윙을 요구하지는 않는다.  대략 70V 피크 이내의 드라이브 전압이 요구 되는데 이 드라이버단은 실측결과 300V p2p의 전압스윙을 낼 수 있다.  요구되는 전압스윙의 2배가 넘는 셈인데 이는 될 수 있는 대로 각 관의특성곡선의 직선부분만을 이용하여 찌그러짐을 줄이자는 발상에서 이렇게 설계하였다.

드라이버단의 출력전압 스윙을 크게 하는데에는 여러가지 방법이 있지만 가장 손 쉽고 효과적인 방법은 캐소드 접지의 A급 중폭기에 부하저항을 크게하고 양극 전압을 대폭 높여주는 방법일 것이다.  이 암프에서도 바로 이 방법을 채용하였다.  회로를 보면 드라이버 단의 공급전압이 500V가 넘는 것을 볼수 있다.

한가지 이 드라이버 단에서 특기할 사항은 위상반전만을 제외한다면 모두 동일한 진공관을 선택했다는 점일 것이다.  위상반전에도 같은 관을 선택해도 무방하겠으나 굳이 6GU7대신 12AU7택한 것은 제작 과정상 그렇게 된 것일 뿐 기술적인 이유는 없다.  사실 위상반전에도 6GU7을 사용하고 싶었지만이미 모든 배선이 끝난 후라 교체할 마음이 생기지 않았었다.

6GU7은 칼러TV용으로 개발된 관으로서 일반 증폭용이나 위상반전용으로 사용되었다고 한다.  증폭율을 12AU7 보다 약간 작지만 내부저항은 12AU7보다 상당히 작다.  비슷한 관으로는 아마도 6CG7이나 6FQ7등이 있을 것이다.

그런데 동일한 관으로 평범한 캐소드 접지의 2단 증폭기를 만든다면 찌그러짐 상쇄 효과가 있지 않을까 하는 생각이 든다.  실제로 2단 증폭기에서 초단의 동작점을 바꾸어 주는 방법으로 찌그러짐 상쇄회로를 사용하는 사례를 본 적이 있다.  이번 암프에서는 막연하나마 약간의 찌그러짐 상쇄 효과를 기대하면서 동일한 관을 채용해 보았다.

전원부

DIY 진공관 암프 제작자들이 공통적으로 느끼는 어려움은 아마도 적절한 전원트랜스를 확보하는 일일 것이다.  이는 암프마다 제각각 요구되는 전압, 전류 용량이 상이하기 때문에 일반용으로 시판되는전원트랜스로는 요구되는 전원을 충족시키기 어렵기 때문이다.  이 암프에서는 특히 이 문제가 두드러진다.

우선 출력관의 히터전압이 13.3V 혹은 이의 배수가 되는 전압이 요구되고 드라이버단에는 6.3V 의 전압이 요구된다.  더구나 이 암프 에서는 직결회로와 CF회로를 채용하여 적어도 두개의 독립된 6.3V 탭이 필요하다.  그 이유는 히터와 캐소드간의 절연 전압이 대략 200V 이내 이기 때문에 캐소드 전압이 높이 걸리는 경우 그 히터 전원을 다른 관들과 격리할 필요가 있기 때문이다.  

한편 드라이버단과 출력단을 직결함으로서 4개의 상이한 B 전압과 2개의 상이한 C전원이 필요하게 되었다.  이 요구되는 모든 상이한 전압을 만들기 위해서는 특수 주문한 전원트랜스가 요구되지만 비용뿐만 아니라 이곳 미국에서는 마땅히 주문할 트랜스 제작소도 보기 힘들다.  별수 없이 일반용으로 생산된 몇개의 트랜스를 조합하여 사용하는 수 밖에 없었다.

다행히 중국 회사인 Antek사의 트로이달 트랜스 3개로 모든 요구조건을 충족시킬 수 있었다.  물론 트랜스 한개로 하는 것보다 부피도 커지고 무게도 커지고 효율은 약간 나빠지지만 참을만 하다.   먼저 메인 트랜스는 400VA의 용량으로서, 325V 630mA 두개, 6.3V 4A 가 두개 나오는데 고압은  양파 정류하여 380V 정도를 얻어 출력관에 공급하였다.

또 다른 트랜스는12V 2.5A가 두 개 나오는 트랜스로 이를 24V로 연결하고 정류하여 26.6V를 얻어서13GB5는 히터를 2개씩 직열연결하여 점화하였다.  세번째 트랜스는 25VA의 작은 트랜스로  1차가115V 두 개, 2차가 6V  두 개가 나온다.  이를 거꾸로 사용하면 두개의 독립된 115V 전원을 얻을 수 있다.  이 두 115V 출력을 각각 배압정류하여 250V 정도를 얻어서 하나는 두개의 C전원에 사용하고다른 하나는 메인 트랜스 출력에 직렬로 연결하여 550V 정도의 고압을 얻었다

물론 주어진 전원회로는 현재 필자에게 주어진 부품만을 가지고 구현한 것인 만큼 최적의 구현이 아니다.  가장 바람직한 방법은 모든 필요한 전압, 전류를 한개의 트랜스로부터 얻어내도록 특주품을 사용하는 것이다.

또 한가지, 이 암프에서는 독립된 두개의 6.3V히터 전원을 사용하였는데 따로 바이어스를 걸어주지않고 훌로팅을 시켰었는데 60Hz 잡음이 들어왔다.  바이어스를 따로 걸어주는 대신 500uF정도의 캐패시터로 한 쪽을 접지해 주니 문제가 해결되었다.

마지막으로 시간 지연 릴레이를 설치해 두었다.  전원 스위치를 넣으면 히터 전원과 C전원이 인가 된다.  대략 15초 후에 B전원이 인가된다.  캐소드가 충분히 가열되지 않은 상태에서 고압의 B 전원이 인가되면 캐소드에 코팅된 단원자 층이 파손되어 진공관 수명이 단축된다고 한다.

그런데 암프를 완성하고 시험을 하다 보니 전원 스위치를 넣으면 히터가 들어 오고 전면의 VU메터에 불이 들어 오지만 B 전원이 들어왔는지 어떤지를 표시하는 장치가 없어 답답한 적이 많았다.  B전원 인디케이터를 설치하려고 했지만 마땅한 방법이 없었다. 별 수 없이 100V 가 넘는 고압회로에 LED를 설치하게 되었다.  다른 방법이 있다면 이런 방법은 피하는게 좋다고 생각한다.

제작과 조립

DIY 진공관 암프제작자들  중에는 암프의 외형을 중요하게 생각하는 사람들이 많은 것 같다.  필자도 그런 사람 중 하나인데 디자인에 대한 소양이 없어 마음에 드는 디자인을 구현하지는 못했었다.  그래서 우선적으로 기능을 중시하는 디자인을 해 보기로 하였다.

우선 출력관이 8개나 되고 드라이버 단에 4개의 진공관을 사용한 관계로 채널 당 총 12구의 암프가 되었다.  문제는 8개의 출력관에서 발생하는 열을 어떻게 관리할 것인가가 문제다.  이 암프는 13GB5 한개에서 발생하는 양극 손실만 22W가 되고 여기에 히터 전원으로 거의 8W 가 소비되어 출력관 하나당 30W,  총 240W의 전력이 소모된다.

또한 모든 전원트랜스는 토로이달 트랜스이고 출력트랜스는 R코아 트랜스여서  이들의 형태상  전원트랜스와 출력트랜스 등 큰 부품들을 모두 샤시 위에 배치하고 진공관을 전면에 배치하는 식의 통상적인 진공관 암프의 형태는 잘 나오지 않게 된다.  이런 고려에서 잘 시도하지 않는 새로운 형태의 암프 구조를 생각해 본 것이 사진에 보이는 암프의 형태다.  더구나 모든 작업을 가내에서 목공 연장만을가지고 만들었기 때문에 여러가지 제한 조건이 많아 결국 암프 샤시를 나무로 만들었다.  또한 무게와크기를 고려하여 모노불럭으로 설계하였다.  스테레오 암프로 만든다면 진공관 수만 24개가 되어 관리가 힘들 것이다.

출력관에서 발산하는 열 관리를 위해 모든 진공관은 샤시 위에 배치하였다. 출력트랜스와 전원트랜스, 및 그외 전원부는 모두 폭 374mm 깊이 260mm 높이 115mm 크기의 나무 상자에 만들어 넣었다.  암프부는 전원부와 폭과 깊이가 같은 크기에 높이가 56 mm로 낮은 나무 샤시에 만들어서 전원부 나무상자 위에 올려 놓는 형태로 하였다.  그리고  퉁풍을 위해  전원부와 암프부 샤시 사이에 9mm 정도의 갭을 두도록 하였다.  결국 암프는 전원부 상자위에 떠 있는 것처럼 보이게 되었다.

암프부와 전원부 사이에는16가닥의신호 및 전원 공급선이 연결된다.  히터 배선에만 출력관 2선, 독립된 2개의 6.3V 직류전원에 4선, 모두 6선이 필요하고 B 전원에 4선, C전원에 2선, 그리고 그라운드선 및, NFB선, 출력관 양극에서 출력트랜스로 가는 선 2선, 모두 16개의 선이 암프 샤시와 전원부 샤시를 연결한다.  암프 샤시는 전원부 샤시에서 들어 올려 뒤집어 놓을 수 있도록 만들었다.  또한 수리나 조정상 접근이 필요한 전원부의 모든 부분은 암프 샤시를 들어 올려 뒤집어 놓으면 접근이 가능하도록 하였다.   기타 상세한 구조는 사진을  참조하면 쉽사리 파악할 수 있을 것이다.

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