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直流穩(wěn)壓電源的制作目錄學(xué)習(xí)目標(biāo)工作任務(wù)知識(shí)鏈接知識(shí)拓展知識(shí)小結(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.能完成直流穩(wěn)壓電源電路的測(cè)試與維修。2.能完成直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)與制作。知識(shí)目標(biāo)能力目標(biāo)了解半導(dǎo)體的基本知識(shí),熟悉二極管、三極管的結(jié)構(gòu)及特性;掌握橋式整流電路的組成、原理及正確接法;了解電容及電感濾波的原理;掌握硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的組成與工作原理;了解串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成與原理;掌握三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用。返回素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí),提升電子產(chǎn)品創(chuàng)新的專業(yè)能力。2.培養(yǎng)班組管理、團(tuán)隊(duì)組織能力。直流穩(wěn)壓電源的制作工作任務(wù)1.實(shí)訓(xùn)目標(biāo)
(1)增強(qiáng)專業(yè)意識(shí),培養(yǎng)良好的職業(yè)道德和職業(yè)習(xí)慣。(2)能借助資料讀懂固定輸出式穩(wěn)壓集成塊芯片的型號(hào),明確各引腳功能。(3)了解固定輸出式直流穩(wěn)壓電源電路的檢測(cè)方法。(4)學(xué)會(huì)+5V直流穩(wěn)壓電源的制作方法。(1)各小組制定工作計(jì)劃。(2)讀懂直流穩(wěn)壓電源電路原理圖,明確元器件連接和電路連線。(3)畫出裝配圖。(4)完成電路所需元器件的檢測(cè)。(5)根據(jù)裝配圖制作直流穩(wěn)壓電源電路。(6)完成直流穩(wěn)壓電源電路功能檢測(cè)和故障排除。(7)通過小組討論完成電路詳細(xì)分析并撰寫任務(wù)工單。2.任務(wù)要求3.電路工作原理利用交流變壓器T把220V(有效值)、50Hz的交流電降壓,得到12V的交流電,通過VD1~VD4四只二極管組成的全波整流電路,把交流電整流成直流電,經(jīng)過電容C濾波,把信號(hào)送給三端穩(wěn)壓器LM7805,經(jīng)過穩(wěn)壓作用,得到穩(wěn)定的+5V直流電壓,得到一個(gè)電壓橫波系數(shù)很小的+5V直流電。4.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與元器件
(1)實(shí)訓(xùn)設(shè)備:模擬電路實(shí)驗(yàn)裝置1臺(tái),萬用表一臺(tái),示波器一臺(tái)。
(2)元器件需求明細(xì)表5.電路安裝
先根據(jù)圖2.1畫出+5V直流穩(wěn)壓電源電路原理圖,然后根據(jù)原理圖畫出PCB(印刷電路板)圖和裝配圖,再根據(jù)裝配圖按正確方法插好IC芯片,并連接線路。電路可以連接在自制的PCB上,也可以焊接在萬能板上,或者通過“面包板”插接。下圖所示為焊接在萬能板上的+5V直流穩(wěn)壓電源電路裝配圖。6.電路調(diào)試、記錄測(cè)試結(jié)果
+5V直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試。用示波器觀察整流、濾波及穩(wěn)壓波形;用直流電壓表測(cè)量各輸出點(diǎn)的直流電壓,測(cè)試結(jié)果記錄在表中。7.評(píng)價(jià)反饋
評(píng)分表(與項(xiàng)目1任務(wù)工單的評(píng)分表一樣)。由于電網(wǎng)系統(tǒng)供給的電源都是交流電,而電子設(shè)備需要穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作,因此必須將交流電變換成直流電,這一過程稱為整流。本節(jié)主要介紹單相半波整流電路和單相橋式整流電路。知識(shí)鏈接2.1二極管整流電路2.1.1單相半波整流電路如圖所示為單相半波整流電路,Tr為電源變壓器,VD為整流二極管,RL為負(fù)載電阻。圖(b)所示為單相半波整流電路的波形圖。1.電路組成設(shè)變壓器次級(jí)電壓為式中,U2為變壓器次級(jí)電壓有效值。在U2的正半周(0~π),假定變壓器次級(jí)繞組的極性是上“+”下“-”,則二極管VD承受正向電壓導(dǎo)通,此時(shí)有電流i0(i0=iV)流過RL,其壓降為u0=i0RL,如果忽略VD的管壓降uV,則u0≈u2,RL上的電壓u0與u2基本相等。在u2的負(fù)半周(π~2π),變壓器次級(jí)繞組的極性變?yōu)樯稀?”下“+”,VD承受反向電壓截止,此時(shí)電流i0≈0,負(fù)載上的電u0≈0,變壓器上的電壓u2以反向全部加到VD上。第二個(gè)周期開始又重復(fù)上述過程。電源變壓器次級(jí)電壓u2是交流電,但經(jīng)VD變換后,RL上的電壓實(shí)際方向始終沒有改變,即得到的電壓是直流電壓。由于在一個(gè)周期內(nèi),VD導(dǎo)通半個(gè)周期,RL只獲得半個(gè)周期的電壓,故稱為半波整流。2.工作原理RL上獲得的是脈動(dòng)直流電壓,其大小用平均值U0來衡量:流過RL的平均電流為流過VD的平均電流與流過RL的平均電流相等,故VD反向截止時(shí)承受的最高反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值,所以3.指標(biāo)參數(shù)計(jì)算單相半波整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件少,但輸出電流脈動(dòng)很大,變壓器利用率低。因此單相半波整流電路僅適用于要求不高的場(chǎng)合。4.特點(diǎn)2.1.2單相橋式整流電路單相橋式整流電路由整流變壓器、4只二極管和負(fù)載電阻組成。如圖所示為單相橋式整流電路的三種畫法。1.電路組成在U2的正半周(0~π),二極管VD1、VD3承受正向電壓導(dǎo)通,VD2、VD4承受反向電壓截止,電流i0從變壓器次級(jí)a端經(jīng)VD1、RL、VD3回到b端,電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生壓降u0。如果忽略VD1、VD3的管壓降,則u0=u2。在u2的負(fù)半周(π~2π),VD1、VD3反向截止,VD2、VD4承受正向電壓導(dǎo)通,電流i0從變壓器次級(jí)b端開始經(jīng)VD2、RL、VD4回到a端。若忽略VD2、VD4的管壓降,則u0=-u2??梢?在u2的一個(gè)周期內(nèi),VD1、VD3和VD2、VD4輪流導(dǎo)通,流過RL的電流i0的方向始終不變,電壓為單方向的脈動(dòng)直流電壓。橋式整流電路波形如圖所示。2.工作原理RL的平均電壓為平均電流為在每個(gè)周期內(nèi),兩組二極管輪流導(dǎo)通,各導(dǎo)電半個(gè)周期,所以每只二極管的平均電流應(yīng)為RL平均電流的一半,即在一組二極管正向?qū)ㄆ陂g,另一組二極管反向截止,其承受的最高反向電壓為變壓器次級(jí)電壓的峰值:3.指標(biāo)參數(shù)計(jì)算橋式整流電路比半波整流電路復(fù)雜,但輸出電壓脈動(dòng)為半波整流電路的一半,變壓器的利用率也較高,因此橋式整流電路得到了廣泛應(yīng)用。4.特點(diǎn)知識(shí)鏈接由于整流電路只是把交流電變成了脈動(dòng)的直流電。這種直流電波動(dòng)很大,主要是含有許多不同幅值和頻率的交流成分。為了獲得平穩(wěn)的直流電,必須利用濾波器將交流成分濾掉。常用濾波電路有電容濾波電路、電感濾波電路和復(fù)式濾波電路等。2.2濾波電路2.2.1電容濾波電路單相橋式整流電容濾波電路由單相橋式整流電路、大容量電容C和負(fù)載電阻RL組成,如圖所示。1.電路組成2.工作原理圖2.7單相橋式整流電容濾波電路輸出電壓波形(2)接負(fù)載電阻RL的情況。在如圖2.6所示的單相橋式整流電容濾波電路中,開關(guān)S閉合。電容C兩端并上負(fù)載電阻RL后,在u2正半周和負(fù)半周,只要|u2|>uC,則VD1、VD3與VD2、VD4輪流導(dǎo)通,u2不僅為負(fù)載電阻RL供電,還對(duì)電容C充電。當(dāng)|u2|<uC,同樣,4只二極管均受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài),而電容C將向負(fù)載電阻RL放電。輸出電壓波形如圖2.7所示。2.工作原理(3)特點(diǎn)。電容濾波電路雖然簡(jiǎn)單,但輸出直流電壓的平滑程度與負(fù)載有關(guān)。當(dāng)負(fù)載減小時(shí),放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC減小,輸出電壓的紋波增大,所以它不適用于負(fù)載變化較大的場(chǎng)合。同樣不適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合,因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流大(RL較小)時(shí),只有增大電容容量,才能取得好的濾波效果。但電容容量太大,會(huì)使電容體積增大,成本上升,而且大的充電電流容易導(dǎo)致二極管損壞。2.工作原理3.主要參數(shù)(1)輸出電壓平均值Uo。經(jīng)過濾波后的輸出電壓平均值Uo得到提高。工程上,一般按下式估算Uo與U2的關(guān)系Uo=1.2U2(2)二極管的選擇。由于電容在開始充電瞬間,電流很大,所以二極管在接通電源瞬間流過較大的沖擊尖峰電流,所以在實(shí)際應(yīng)用中要求:二極管的額定電流為二極管的最高反向電壓為URM≥2U2。(3)電容的選擇。負(fù)載電阻上直流電壓平均值及其平滑程度與放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC有關(guān)。越大,放電越慢,輸出電壓平均值越大,波形越平滑。在實(shí)際應(yīng)用中一般取式中,T為交流電源的周期電容的耐壓為UC≥2U24.整流變壓器的選擇由負(fù)載電阻RL上的直流平均電壓Uo與變壓器的關(guān)系Uo=1.2U2得出在實(shí)際應(yīng)用中考慮到二極管正向壓降及電網(wǎng)電壓的波動(dòng),變壓器次級(jí)電壓應(yīng)大于計(jì)算值的10%。一般變壓器次級(jí)電流I2取1.1~1.3倍的IL。2.2.2電感濾波電路利用電感線圈交流阻抗很大、直流電阻很小的特點(diǎn),將電感線圈與負(fù)載電阻R串聯(lián),組成電感濾波電路,如圖所示。整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓中的直流成分在電感線圈上形成的壓降很小,而交流成分卻幾乎全都降落在電感上,負(fù)載電阻上得到平穩(wěn)的直流電壓。感量越大,電壓越平穩(wěn),濾波效果越好。但感量大會(huì)使電感體積過大,成本增加,輸出電壓下降。1.電路工作原理電感濾波電路適用于輸出電流大、負(fù)載經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合,其缺點(diǎn)是體積大,易引起電磁干擾。2.特點(diǎn)2.2.3復(fù)式濾波電路將電容濾波電路和電感濾波電路組合起來,可獲得比單個(gè)濾波器更好的濾波效果,這就是復(fù)式濾波器。圖2.9所示為常用復(fù)式濾波電路。常見復(fù)式濾波器有Γ形和π形兩類,如圖2.10所示。圖2.9
常用復(fù)式濾波電路圖2.10
常見復(fù)式濾波器為減小負(fù)載電壓的脈動(dòng)程度,在電感線圈后面串聯(lián)電容,如圖2.10(a)所示。這樣先經(jīng)過電感濾波,去掉大部分交流成分,然后經(jīng)電容濾波,濾除剩余的交流成分,使負(fù)載電阻得到一個(gè)更平滑的直流電壓,這種電路性能與電感濾波電路基本相同。1.Γ形濾波器2.π形濾波器圖2.10(b)所示為π形濾波器,在電感的前后各并聯(lián)一個(gè)電容。整流器輸出的脈動(dòng)直流電先經(jīng)過電容C1濾波,再經(jīng)過電感L和電容C2濾波,使交流成分大大降低,在負(fù)載電阻上得到平滑的直流電壓。知識(shí)鏈接目前,大量電子設(shè)備所用的直流電源都是通過將電網(wǎng)220V的交流電源(市電)整流、濾波和穩(wěn)壓得到的。前面已了解了整流、濾波電路的工作原理,下面重點(diǎn)介紹串并聯(lián)型穩(wěn)壓電路及集成穩(wěn)壓器的工作原理。2.3穩(wěn)壓電路2.3.1直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源一般由交流電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等部分組成,如圖所示。2.3.2穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的作用及要求1.穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的作用穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的作用是克服電源波動(dòng)及負(fù)荷的變化,使輸出直流電壓恒定不變。2.穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的要求(1)穩(wěn)定性好。由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度,稱為穩(wěn)定度指標(biāo),輸出電壓的變化越小,電源的穩(wěn)定度越高。(2)輸出電阻小。負(fù)載變化時(shí)(從空載到滿載),輸出電壓Usc應(yīng)基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。輸出電阻(又稱等效內(nèi)阻)用r表示,r越小,負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源,輸出電阻可小到1Ω,甚至0.01Ω。(3)電壓溫度系數(shù)小。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),會(huì)引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源,應(yīng)在環(huán)境溫度變化時(shí),有效地抑制輸出電壓的漂移,保持輸出電壓穩(wěn)定。(4)輸出電壓紋波小。所謂紋波電壓,是指輸出電壓中頻率為50Hz或100Hz的交流分量,通常用有效值或峰值表示。經(jīng)過穩(wěn)壓作用,可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低。2.3.3并聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.結(jié)構(gòu)如圖所示為并聯(lián)型穩(wěn)壓的直流電源電路,虛線框內(nèi)為穩(wěn)壓電路,R為限流電阻,VDZ為穩(wěn)壓二極管。無論是電網(wǎng)電壓波動(dòng)還是負(fù)載電阻RL的變化,并聯(lián)型穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用,因?yàn)閁Z基本恒定,Uo=UZ。2.工作原理(1)當(dāng)負(fù)載電阻RL不變,而穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui增大時(shí),輸出電壓Uo將上升,使加于VDZ的反向電壓略有增加。隨之流過VDZ的電流大大增強(qiáng),IR=IZ+IL增加很多,所以在限流電阻R上的壓降IRR增加,使得Ui的增量絕大部分降落在R上,從而使輸出電壓Uo基本維持不變。反之,當(dāng)Ui下降時(shí),IR減小,R上的壓降減小,故也能基本維持輸出電壓不變。(2)輸入電壓Ui不變,而IL增大(RL變小)時(shí),總電流IR增大,從而造成輸出電壓下降。但由于VDZ的端電壓Uo略有下降,而流過VDZ的電流IZ卻大大減小,IL的增加部分幾乎和IZ的減小部分相等,使總電流幾乎不變,因而保持了輸出電壓的穩(wěn)定。由此可見,在穩(wěn)壓電路中,穩(wěn)壓二極管起著電流控制作用,無論是輸出電流變化(負(fù)載變化)還是輸入電壓變化,都將引起IZ較大的改變,并通過限流電阻產(chǎn)生調(diào)壓作用,從而使輸出電壓穩(wěn)定。在實(shí)際使用中,上述兩個(gè)調(diào)整過程是同時(shí)存在且同時(shí)進(jìn)行的。3.特點(diǎn)并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定,但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié),而且輸出電流很小。2.3.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.結(jié)構(gòu)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路包括四大部分,其組成框圖如圖所示。2.工作原理并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定,但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié),而且輸出電流很小,為了加大輸出電流使輸出電壓可調(diào)節(jié),常用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路,如圖2.14所示。串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路是具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,電路中VT1為調(diào)整管,它與負(fù)載串聯(lián),起電壓調(diào)整作用。VT2為比較放大管,R4是它的集電極電阻,VT2的作用是將電路輸出電壓的取樣值和基準(zhǔn)電壓比較后進(jìn)行放大,送到VT1進(jìn)行輸出電壓的調(diào)整。這樣,只要輸出電壓有一點(diǎn)微小的變化,就能引起VT1的UCE發(fā)生較大的變化,從而提高穩(wěn)壓電路的靈敏度,改善穩(wěn)壓效果。圖2.14
串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路3.特點(diǎn)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源工作電流較大,輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié),穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前已經(jīng)使用這種穩(wěn)壓電源制成了單片集成電路,廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路中。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是損耗較大、效率低。2.3.5集成穩(wěn)壓器1.概述將串聯(lián)型穩(wěn)壓電源和各種保護(hù)電路集成在一起就得到了集成穩(wěn)壓器。早期的集成穩(wěn)壓器外引腳較多,現(xiàn)在的集成穩(wěn)壓器只有三個(gè)外引腳:輸入端、輸出端和公共端。它的電路符號(hào)如2.15所示,外形如圖2.16所示。要特別注意,不同型號(hào)、不同封裝的集成穩(wěn)壓器,它們?nèi)齻€(gè)電極的位置是不同的,要查手冊(cè)確定。其組成框圖如圖所示。圖2.15
集成穩(wěn)壓器的電路符號(hào)圖2.16
集成穩(wěn)壓器的外形2.三端集成穩(wěn)壓器的分類三端集成穩(wěn)壓器有如下幾種。(1)三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器。國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW78(1.5A)、CW78M(0.5A)、CW78L(0.1A)。(2)三端固定負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器。國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW79(1.5A)、CW79M(0.5A)、CW79L(0.1A)。(3)三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器。國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW117、CW117M、CW117L(為軍品級(jí),工作溫度范圍為-55~150℃);CW217、CW217M、CW217L(為工業(yè)品級(jí),工作溫度范圍為-25~150℃);CW317、CW317M、CW317L(為民品級(jí),工作溫度范圍為0~125℃)。(4)三端可調(diào)負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器。國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW137、CW137M、CW137L、CW237、CW237M、CW237L、CW337、CW337M、CW337L。3.應(yīng)用電路三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖2.17所示,三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖2.18所示。在三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部,其輸出端和公共端之間的參考電壓是1.25V,因此輸出電壓可通過電位器調(diào)節(jié)得到,即知識(shí)拓展為解決串聯(lián)型穩(wěn)壓電源損耗大、效率低的缺點(diǎn),研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài),具有功耗小、效率高、體積小、質(zhì)量小等特點(diǎn),現(xiàn)在開關(guān)型穩(wěn)壓電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。開關(guān)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是紋波較大,用于小信號(hào)放大器時(shí),還應(yīng)采用第二級(jí)穩(wěn)壓措施。2.4開關(guān)型穩(wěn)壓電源2.4.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理可用如圖所示的開關(guān)型穩(wěn)壓電路加以說明。它由調(diào)整管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準(zhǔn)電壓等部分構(gòu)成。2.4.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理三角波發(fā)生器通過比較器產(chǎn)生一個(gè)方波uB,控制調(diào)整管的通斷。當(dāng)調(diào)整管導(dǎo)通時(shí),向電感充電。當(dāng)調(diào)整管截止時(shí),必須給電感中的電流提供一個(gè)泄放通路。續(xù)流二極管VD即可起到這個(gè)作用,有利于保護(hù)調(diào)整管。由圖2.19可知,當(dāng)三角波的幅度小于比較放大器的輸出時(shí),比較器輸出高電平,對(duì)應(yīng)調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間為ton;反之為低電平,對(duì)應(yīng)調(diào)整管的截止時(shí)間為toff。為穩(wěn)定輸出電壓,應(yīng)按電壓負(fù)反饋方式引入反饋,設(shè)輸出電壓增大,FUo增大,比較放大器的輸出電壓uF減小,比較器方波輸出toff增加,調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)間ton減小,輸出電壓減小,起到穩(wěn)壓作用。其穩(wěn)壓過程如下:知識(shí)拓展面包板是專為電子電路的無焊接實(shí)訓(xùn)而設(shè)計(jì)制造的。由于各種電子元器件可以根據(jù)需要隨意插入或拔出,免去焊接操作,節(jié)省了電路的組裝時(shí)間,而且可以重復(fù)使用,所以面包板非常適合電子電路的組裝、調(diào)試與訓(xùn)練。2.5面包板的使用1.面包板的結(jié)構(gòu)面包板實(shí)際上是具有許多小插孔的塑料插板,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.20所示,每塊插板中央都有一個(gè)凹槽,凹槽兩邊各有縱向排列的多列插孔,每5個(gè)插孔為一組,各列插孔之間的間距為0.1英寸(2.54mm),與雙列直插式封裝的集成電路的引腳間距一致。每列5個(gè)插孔中有金屬簧片連通,列與列之間在電氣上互不相通。面包板的上、下邊各有一排(或兩排)橫向插孔,每排橫向插孔分為若干段(一般是2~3段),每段內(nèi)部在電氣上是相通的,一般可用作電源線和地線的插孔。圖2.20
面包板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.元器件與集成電路的安裝(1)在安裝分立元器件時(shí),應(yīng)便于看到其極性和標(biāo)志,將元器件引腳理直后,在需要的地方折彎。為防止裸露的引腳短路,必須使用帶套管的導(dǎo)線,一般不剪斷元器件引腳,以便重復(fù)使用。通常不插入引腳
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