この世でいちばんわかりやすいトランジスタの話: 虹と雪、そして桜

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2016/04/30

この世でいちばんわかりやすいトランジスタの話

「トランジスタって、何?」

今の時代、トランジスタなんて知らなくても、まったく困りません・・・よね?

でも、その恩恵をうけずに生きていくのは不可能でしょう。

なにせ、あのiPhone1台にさえ30億個以上のトランジスタが使用されているといわれているのですから。

そう考えるとトランジスタのことまったく知らない・・・ってのも、なんか残念な気がするんですよね。

せっかくこの時代に生まれてきたのに。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/photo_10.jpg

しかし、そうはいっても―――

トランジスタって、かなりわかりにくい・・・

専門家による説明は、どれも下手だし 画一的 だし。

 

まず、どのテキストや解説を読んでも、

「トランジスタ」=「増幅装置」

みたいなことが書かれています。

 

しかし―――

そんな説明・・・

いくら理解できたところで、なんか頭の片隅にひっかかりませんか?

増幅ねぇ・・・と。

 

そんな錬金術みたいな話、

ありうるの?・・・と。

 

だいたい、どの解説でも、増幅のことやそのメカニズムについて、とても詳しく解説されていたりします。

しかし・・・

トランジスタの理解を難しくしているのは、そんな仕組みや理論とかの細かいところではなく、もっと根源的な、

「トランジスタ」=「増幅装置」

という

何か胡散臭いイメージ( ̄ー+ ̄)

ではないでしょうか。

 

本記事は、そんな従来のトランジスタの解説に、

「なんだかなぁ・・・」

と、思い悩んでいる電子工学初心者の心を救済するために書きました(*^-^)

 

えっとですね・・・

あえて言わせてもらいます。

うすうす感づいている人もいるかもしれませんが、

トランジスタが「電流を増幅する」なんて、

ウソなんです。(・_・)エッ....?

いつものことですが、思いっきり言い切りました(*^m^)

 

もしかしたら、この瞬間に、たくさんの専門家を敵に回してしまったかもしれません・・・\(;゚∇゚)/。

 

しかし、管理人も、小学生のときに、一応、ラジオ受信機修理技術者検定というものを修了している身です(古!(*^m^))。

ですので、トランジスタを含む電子機器の仕組みについて無責任なことをいうことはできません。

過激な発言はできるだけ避けたいのです・・・

が、それでも、

トランジスタ=「増幅装置」

という説明は、ウソだと思います。

 

いや・・・

ウソというか、少なくとも素人にとっては、「儲かりまっせ~」的な詐欺みたいな話です。

 

たとえば・・・

あなたがトランジスタのことを知らないとして、

「増幅」と聞くと、どう思いますか?

 

なにか、小さなものを大きなものにする・・・

「お金の金利」のような?

「何か元になるものが増える」ような?

何か得しちゃう・・・ような?

そんなものだと感じませんか???

 

違うんです。

トランジスタの増幅とは、そんな何か最後に得するような意味での増幅ではありません。

 

管理人も、はじめてトランジスタの説明を聞いたときには、トランジスタをいくつも使えば電流をどんどん増やすことができる?トランジスタをいくつも使えば電池1個でも大きなものを動かせる?

と思ったことがあります。

 

しかし。

そんな錬金術がこの世にあるはずがありません。

 

この記事では、そんなトランジスタの増幅作用にどうしても納得できない初心者の頭のモヤモヤを吹き飛ばしてみたいと思います。

わかりやすくするため、多少、正確さを犠牲にしていますが、ひとりでも多くの読者に、トランジスタの真髄を伝えることができれば・・・と思います。

 

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/transistor.jpg

先ほど、

トランジスタが「電流を増幅する」なんてウソ!

な~んて言い切ったばかりですが、

この際、さらに、言い切っちゃいます( ̄ー+ ̄)

 

トランジスタは

「電流を減らす装置」です!……(ノ゚ο゚)ノミ(ノ _ _)ノイッチャッタ!ウソ?

 

いや、まじですよ。

 

実は、解説書によっては、トランジスタに電流を増幅する作用はない

と書いてあるものもあります(滅多にありませんが・・・)。

 

しかし、そうだったんだ!

と思って読みすすめるうちに、どんな解説書でも、途中から増幅増幅ということばがどんどんでてきます。

 

最初に、増幅作用はない

とチラッといっておきながら、途中で、増幅増幅いわれても・・・

なんか、釈然としません。

 

この記事では、一貫して言い切ります。

「トランジスタ」 = 電流を「減らす」装置

です。

 

いいですか?

トランジスタは電流を増幅しない

ではなく、

トランジスタは電流を減らす装置

です。

 

こんな説明、きいたことないかもしれません。

トランジスタを勉強したことがある人は「バカなの?」と思うかもしれません。

 

しかし、これが正しい理解なのです。

とくに、今までどんな解説を読んでもどこか納得できなかった人・・・

この記事はあなたのような人のために書きました!

この記事を読み終わるころには、スッキリ理解できるようになっているはずです(v^ー゜)!!

 

 

話をもとに戻しますが、電流を減らす装置といえば、ボリューム(可変抵抗器)ですよね。

だったら、トランジスタとボリュームは、何が違うんだ!?

と思いませんか?

・・・

そうなんです。同じなんです( ・`ー・´)+ キリッ

・・・

また、専門家の人に笑われてしまったかもしれません。

が、ほんと、トランジスタとボリュームはよく似ています。

ちょっと、ボリュームとトランジスタの回路図を比べてみましょう。

ボリュームの基本的な回路図は、次のような感じです。

Cocolog_oekaki_2016_04_30_02_00

電池にボリュームがついているだけの回路です。

手を使って、ボリュームの「つまみ」を動かすと回路を流れる電流が「変化」します。

 

このとき、

ボリュームをつかって、電流を「増やしている」、と感じる人はいますか?

 

いないはずです。

 

実際、

ボリュームは、電流の流れを遮って、回路を流れる電流を減らしています。

 

実は、トランジスタも、結局はボリュームと同じことをしているのです。

図にするとこんなものです。

Cocolog_oekaki_2016_05_02_13_48

トランジスタ(TR)は、この回路を流れる電流を「せきとめ」たり、「せきとめ」なかったり―――

こうして回路を流れる電流の量を変化させます。

つまるところ、ボリュームと同じように、電流を遮っているだけです。

決して電流を増やすなんてことはしていません。

 

つまり、トランジスタは、

ある回路の電流を、「堰き止める」 = 電流を減らす装置です。

 

トランジスタとボリュームは本当によく似ています。

というか、ほんと同じ、といっていいと思います。

「トランジスタ」 = 「ボリューム」

というイメージを忘れないようにしてください。

 

 

とはいっても・・・

実際のトランジスタの回路図って、ボリュームの回路図と比べると、ぜんぜん違ってみえますよね。

わかりやすくするため、電源とか抵抗とかすべて省いてみても、

Cocolog_oekaki_2016_04_27_14_53

ボリュームの回路図とは、似ても似つかぬ姿をしています。

曲者は、やはりーーー真ん中にある三叉路みたいなマークーーートランジスタそのものです。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/transistor39875_1280.png

これがあるせいで、電流がどこをどう流れているのか、わかりにくいのです・・・、

 

しかし、この回路・・・

次のように考えれば、そんなに難しくありません。

2つにわけて考えるのです。

Cocolog_oekaki_2016_04_30_02_15

真ん中のラインは両方の回路に共有されていますから、2本線で書いても1本線で書いても違いはありません。

 

ここで―――

右側の回路だけを見てみましょう。電池を加えています。

Cocolog_oekaki_2016_04_30_02_07

右側の回路だけをみると、さきほどのボリューム回路と、ちょっと似ていると思いませんか?

この右側の回路がボリュームの回路と同じだ!というなら、いったい、ボリュームはどこにあるのでしょう?

 

左側にある小さな回路があやしいですよね。

Cocolog_oekaki_2016_04_30_02_33

そうです。・・・この左側に薄い色で書いた小さな回路・・・

実はこれーーー左側の回路全体ーーーがボリュームなんです。

(矢印が付いている電池は、電圧を変化させることができる電池だと考えてください)

 

左側の回路全体を、ボリュームっぽくするために、もっと小さくすると・・・

Cocolog_oekaki_2016_04_30_10_14

こうなります。

 

こうみると、もう、ほとんど前述したボリュームの回路図とそっくりだと思いませんか?

このように、トランジスタの回路は左右ふたつに分けて、左側の小さな回路全体で、ひとつの「ボリューム」の働きをしている、と考えるとわかりやすいと思います。

 

左側の小さな回路に流れる電流が、ボリュームの強さを決めているんです。

左側の回路に流れる電流によって「右側の回路に流れる電流」の量を電気的にコントロールしています。

左側に流れる電流が大きいほど、右側の回路に流れる電流は大きくなります。

 

ここで。

絶対に忘れてはならない、最最最大のポイントは―――

右側の回路についているでっかい電池です。

右側の電流の源になっているのは、このでっかい電池です。

 

トランジスタは、右側の電流の流れを「じゃま」しているボリュームにすぎません。

トランジスタの抵抗によって右側の電流の量が決まるのですが、そのトランジスタの抵抗の度合いが、左側の回路を流れる電流の量によって変化するのです。

左回路に流れる電流が多ければ多いほど、トランジスタの抵抗はさがります。

 

とにもかくにも・・・

左側の電流が右側に流れ込んでいるわけではありません。

トランジスタが新たに右側の電流を生み出しているわけでもありません!!

右側の電流は、単に、右側にあるでっかい電池によって流れているだけです。

 

トランジスタ回路をみたら、感覚的にはこんな感じでトランジスタ=ボリュームだと考えましょう。

Cocolog_oekaki_2016_04_30_10_14

左回路の電流を変化させると、それに応じて、右側の電流が変化します。

 

トランジスタとは、左側の小さな電流をつかって、右側の大きな電流を調節する装置なんです。

左側の回路に電流が流れていなければ、トランジスタの抵抗値は最大(無限大)となり、右側の回路に電流は流れません。

ところが、左側の回路に電流をちょっと流すと、トランジスタとしての抵抗値が下がり、右側についているでっかい電池によって、右側に大きな電流がドッカーンと流れます・・・

 

いいですか?

左側の小さな回路に流れる電流をゼロにしておくと、右側の回路の電流もぴたっと止まっています。

でも、

左側の小さな回路にちょびっと電流を流すと、右側の回路にドッカーンと大きな電流が流れるのです。

 

これって、増幅ですかね?

違いますよね~?

 

先ほども言いましたが、

右側には巨大な電池がついていますからね。

右側に流れる大きな電流の元になっているのは、この右側についている電池です!

左側の電流が増幅されて右側の回路に流れているのではありません。

 

結局、トランジスタというのは、左側に流れる電流の量によって、右側の回路に流れている電流の量を調節する装置です。

 

もうすこしFancyな言い方をすると、トランジスタは、

左側と右側の電流の比を、常に「一定」の比率に保つように調整しているだけ

です。

 

たとえば・・・

左と右の電流の比を「1:100」に保つようなトランジスタなら―――

左の回路に1の電流 → 右の回路に100の電流

Cocolog_oekaki_2016_10_26_10_06

左の回路に5の電流 → 右の回路に500の電流

Cocolog_oekaki_2016_10_26_09_58

という具合に。

左の回路にどんな電流を流しても、左と右の電流が「決まった比率」(上記の例では1:100)になるように右の電流量が自動的に調整される装置―――

それがトランジスタです。

 

こういうトランジスタを、「電流を1:100に(100倍に)増幅する装置」と書いてあるテキストがたくさんあります。

しかし―――

これって・・・

一般的な「増幅」という観念からは、あまりにもかけ離れています。

 

実態は、

単に左右の電流の比率が一定に保たれているだけ

です。

 

よくみてください。

右側の回路には、右側用の大きな電池がついているのです!!!

 

右側の電流はこの電池から供給されているのであって、決して左側の電流が、「増幅」されて右側から出てきているのではありません。

これを増幅というのは、初学者にとっては「詐欺」に近い表現だと思います。

 

増幅―――なんて、忘れましょう!

・・・

 

と、いいたいところなんですけど、

しかし―――

ですね・・・

 

ここまで、書いていて、実は、

よーく、みると・・・

左の回路からはいり、右の回路から増幅されて

でてくる

としかいいようがないものがあるんです。

 

それは、電流の変化です。

 

たとえば、比率1:100のトランジスタで考えてみましょう。

左に電流1を流すと、右の電流は100です。

この回路を使って、

左側の電流を5にすると、右側の電流はどうなりますか?

かんたんですね。先ほどの例と同じ・・・

500になります。つまり、100から500へと、「400」増えます。

 

つまり・・・

左側の電流を1 → 5 → 1 →5と、「4」増やしたり減らしたりすると、

右側を流れる電流は、100 → 500 → 100 → 500と、「400」の振幅で変化します。

左の電流の変化に比べて右の電流の変化は100倍になります。

 

同じことを、

比率200のトランジスタを使ってやってみましょう。

左側の電流を、先ほどと同じように、1 → 5 → 1 → 5と、「4」の振幅でチマチマ変化させると、

右側を流れる電流は、200 → 1000 → 200 → 1000と、「800」の振幅で大きく揺らぎます。

振幅が4から800へ、200倍になります。

 

この振幅―――

どこから出てきたのでしょう?

 

もともと、右側の直流回路には存在しなかったものです。

左側の回路から出てきたとしかいいようがありません。

 

慣れた目には、

この・・・左側の電流の「変化」(振幅)が、右側で大きくなって取り出せる感じ・・・が「増幅」に感じられるんです。

トランジスタのことをよく知らない人が最初にイメージする増幅・・・元になるものを増やしていく感じ・・・とはずいぶん違いますよね。

「変化」が拡大されているだけなんです。

 

結局、

トランジスタは、忠実に左右の電流の比率を守っているだけです。

この動画を1分ほどご覧ください(42分30秒にジャンプします)。

 

 

 

 

何度もくりかえしますが、

右側の電流の大きさを決めているのは、なんのことはない、右側についている「でっかい電池」です!

電流が増幅されたのではありません!

 

トランジスタの回路をみて、「左と右の電流の比」が見えてくるようになれば、もう基本概念は完全に理解できているといって過言ではありません。

Cocolog_oekaki_2016_04_30_02_45

トランジスタラジオとは、受信した小さな電波の振幅をトランジスタで大きくして最後にスピーカーを揺らして音を出す装置です。

電波ってのは"波"つまり"変化"ですから、その変化=振れ幅をトランジスタで大きくしていくことができます。

最後に充分大きくしてスピーカーを物理的に振動させることができればラジオの完成です。

 

いかがでしたでしょうか?

端子の名前を一切使わないトランジスタの解説なんて、みたことないかもしれません(´,_ゝ`)

しかし、

トランジスタには電流を増幅する作用などなく、増幅しているのは電流の「変化」であるということ―――

この理解が何より大切なのでは、と思います。

 

トランジスタは増幅装置ですーーーこの詐欺みたいな話ーーーそのほんとうの意味に焦点をあわせた解説はありそうでなかなかありませんでした。

誰かが書きそうなものですが、専門家にとってはアタリマエすぎるのか、なにか書いてはいけない秘密の協定でもあるのか(苦笑)、実はみんなわかっているのか・・・何年たっても誰も何もこのことについて書いてくれません。

誰も書かないので、恥を承知で自分で書いてしまいました(汗)。

専門家からは、アホかそんなこと、みんな知ってるよ!

と言われそうですが、トランジスタ=増幅装置という説明に、なんか納得できないでいる初学者は実は大勢いると思います。

本記事は、そういう頭のモヤモヤを吹き飛ばしたい!

と思っている初学者のために書きました。

どなたかの一助になれば幸いです。

―――

 

え?

そんなことより、やっぱり

もっと仕組みが知りたいですって(・_・)....?

それは・・・\(;゚∇゚)/

えっと、様々なテキストやサイトでイヤというほど詳~しく説明されていますので、それらをご参照ください(◎´∀`)ノ

でも、この記事を読んだあなたは、誰よりも(下手したらそこらへんの俄か専門家よりも)トランジスタの本質を理解できていると思いますよ。

もう原理なんて知らなくていいんじゃないですか?

な~んていうと、ますます調べたくなりますかね?

(*^ー゚)b!!

 

 

追記1:

PNP型トランジスタに関する質問がありましたので、PNP型の模式図を下記に載せておきます。基本、電圧(電池)が反対向きにかかり、電流の向きが反対まわりになっているだけです。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/pnp_transistor.png

追記2:

ベース接地について質問がありましたので、こちらに記事を追加しました。

 

☆おすすめ記事☆

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コメント

最近電子工作を始めたものですが、トランジスタの働きについて、書籍を読んでもよくわからず、ネットで調べてこちらにたどり着きました。
トランジスタ=ボリューム・・・!!!!わかりました!!!とても助かりました!
ありがとうございます!!

マジで分かった・・
すげえ・・
ありがとうTT

こしふるうでわさん:励みになるコメントありがとうございます!

180度変わった。凄い分かりやすく、腑に落ちなかった増幅の本当の意味がわかった。
感謝!!

投稿者様:お役に立ててよかったです。

トランジスタのもやっと感がなくなりました。ありがとうございました

投稿者様: 誰かが書かなければいけないと思って書きました。霧が晴れてよかったです。

増幅が出来るなんて錬金術みたいで
不思議パワーだと思ってたけどボリューム調整ですか。
なるほどなるほど····
イメージしやすくてとてもためになりました!
ありがとうございます!

投稿者様: 不思議パワーなんてあるはずないんですよね(苦笑)。

PNPトランジスタがまったくわかりません。今回のご説明がわかりやすかったです。今回と同様にPNPトランジスタをお願いします。

ff様:PNPトタンジスタは、おおざっぱに言えば、電流の向きが反対になっているだけです。記事の最後に、まんがを付け加えてみましたのでNPNトランジスタと比べてみてください。

物理原理をこのように分かりやすく説明している学問書はありません。学校で無理矢理公式を暗記させられ、世の中に出た時に何も応用が効かないのが現実です。
その意味でも素晴らしい解説を見させて頂きました。

Toshi様:お褒めの言葉、ありがとうございます!

最近電子工作を始めたばかりの者ですが、まさに目から鱗の内容でした
他の解説サイトではさっぱりだったトランジスタのしくみがすーっと理解できました
因みになのですが、FETにも今回の解説は当てはまるのでしょうか?

コメントありがとうございます。FETも同様に考えていいと思います。ふつうのトランジスタと違うのは、右側の回路に流れる電流をコントロールしているのが、左側の回路の電流ではなく電圧であるという点で、そういう意味では真空管に似ていると思います。

トランジスタの中身には沢山の得体の知れない回路が詰まっていて…うぅぅ
なんだかブラックボックスの様な感じがして本質を理解しようとは思わずに目を背けていました。
しかし、本サイトを見てトランジスタの正体が判明しました!
教科書よりわかりやすかったです。
難しそうな性格で話しかけづらい奴だと思ってたけど、話してみたらめっちゃいい奴で仕事もできる奴って事が分かった…みたいな?

たかし様 わたしもトランジスタはまちがいなくいいやつだとおもいます(笑)。

トランジスタは電気通信設備工事担任者3種を受験する際に勉強しましたが、なぜ「増幅」と呼ぶのかが全く理解できませんでした(2回受けてダメで、3回目は過去問の丸暗記でなんとかいけました)。でも、どうしてもトランジスタの仕組みを理解したくてこちらのサイトに辿り着き、ようやく理解することができました。ありがとうございました!

素晴らしい解説。
ここまで概略をわかりやすく解説しているものはないのではないでしょうか。
多くのテキスト類はこちらの解説を見習ってほしい。

みなさんのポジティブなコメントを読むとこの記事を書いてよかったなぁと思えます。ありがとうございます!(海外のIPアドレスからは制限があるようでなかなかすぐにお返事できません。すみません)

非常に素晴らしい解説でした。ありがとうございます。

トランジスタに対する苦手意識が嘘のようになくなりました。ゲームで勝てないと思っていたボスの攻略の糸口を見つけた感覚(笑)家に帰って資格テキストに向かいたいと思います。

突然すみません、トランジスタの原理が知りたくウェブ検索したところ、こちらのサイトにたどり着きました。

少しわからないことがあります。
最初のほうの文では、

>右側の電流は、単に、右側にあるでっかい電池によって流れているだけです。

と書かれていますが、その後に

>左側の回路に電流が流れていなければ、トランジスタの抵抗値は最大(無限大)となり、右側の回路に電流は流れません。

と書かれています。
右側の電流は右側の電池によって流れるのであれば、左側の回路の電流は関係ないのではないでしょうか。

無知ですみません。

Shuさん、ご質問ありがとうございます。説明がわかりにくくてすみません。左側の回路に流れる電流の量によって、トランジスタが右側の電流をせき止める強さが決まります。つまり、左側の回路に流れる電流の量と、トランジスタが右側をせき止める力(抵抗値)が関係しています。オームの法則から、抵抗値が無限大になると、たとえ電池があっても電流は流れません。

早速の返信ありがとうございました。理解できました。

>オームの法則から、抵抗値が無限大になると、たとえ電池があっても電流は流れません。

この部分が頭から抜けていました。

エミッタ接地回路についても知りたかったので次ページも読んでしまいました。
非常にわかりやすかったです。

丁寧な返信と解説、ありがとうございました!

ここに至るまでどのくらいの期間を要しましたか?

よくわかりました。ありがとうございました。

長年、増幅装置の増幅が腹落ちしせずに、専門用語と割り切って丸呑みしていた文系人間です。 
仰るとおり、増幅装置は電流を増幅してないと思っていたからです。

このページの説明で長年のナゾの増幅が納得できました。
ご教示をありがとうございました。

ところで、電脳立国の番組は幼い頃にリアルタイムで父親とブラウン管テレビで見ました。
面白く、わかりやすく、素人に電子の世界を教えてくれた名番組でした。
このページのご説明も同じように素晴らしかったです。

どこにもない記事を書くときには、もしかして、わかってないのは、もしかして自分だけ?という恐怖があるのですが、少しでも応援の言葉をもらえるとほんと嬉しいです。ありがとうございます!

トランジスタについての課題が大学から出て調べているうちにこのwebサイトにたどり着きました。トランジスタなど全く知らなかったのですが、とても丁寧な解説により「増幅」について誤解することなくしっかりと理解することができました。本当にありがとうございました。

トランジスタは増幅装置という「甘美な言葉の罠」に嵌ると膨大な時間を無駄にしてしまいます。今どきの人たちにそんな時間はありません。トランジスタの勉強なんて一気に終わらせ、どんどん利用しましょう!

とても分かりやすい説明に助かりました! モヤモヤが少し減りました。ついでにもう一つモヤモヤを消したいのですが、色々な解説文にスイッチとしての機能と書いてあります。真ん中の線に電流を流すと両端が通電し、遮断すると流れない。それがスイッチだと。
でも、そもそも真ん中の線に流したり流さなかったりする行為そのものが、スイッチによって行われなければ出来ないと思うんですが、合ってます?
また、そのスイッチを使えばトランジスタ要らないんじゃないか?とか素人的には思っちゃうんですが、、ラジオの時のように元々電気的な変化がある時にしか使わない物なんですかね?

ご質問ありがとうございます。疑問はその通りだと思います。ただし真ん中の線に電流が流れているかどうか、それがわからない状況があると思います。真ん中の線にランプをつけてしまうとランプの抵抗が大きすぎて光らない場合、真ん中の線をトランジスタに入力すれば、大きな電流でしか点灯しないランプを利用して真ん中の線の電流のon/offをモニターできる・・・みたいな状況です。

なるほど!
モニターランプかー!
大変よく分かりました。ありがとうございます!!

電気苦手なのですが、一陸技を受けてみようと思って勉強していたらはまりました。電子の流れなど原理を書いてある本やサイトばかりで、何のためにあるのかをわかりやすく解説しているものがなくてモヤモヤしていました。どこからエネルギーを得て増幅しているんだろう?というのもずっと疑問でした。スッキリしました。ありがとうございました。

ポン太様 コメントありがとうございます。モヤモヤ吹き飛んでよかったです!

普段こういった記事にコメントは書かないのですが、本当に良い記事だと感じたためお礼を言わせてください。
トランジスタを用いたnotゲートを作っていて、ふとトランジスタについてわからなくなってしまっていたため助かりました。とてもすっきりしました。
友人にも勧めてみようと思います。

記事にお褒めの言葉をいただくと書いてよかったなぁとつくづく思います。こちらこそありがとうございます。

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