Kabelloses Laden

von Alok Parmar und Sukant Khurana

Das kabellose Laden ist eine Technologie, mit der Sie Ihre Geräte aufladen können, ohne dass sie tatsächlich Kontakt haben. Ja, Sie haben es richtig gehört. Beim kabellosen Laden muss der sperrige und lange USB-Anschluss nicht jedes Mal an Ihr Telefon angeschlossen werden, damit Ihr Telefon aufgeladen werden kann. Durch diese Technologie wird der Strom jedoch über den freien Speicherplatz übertragen. In der ersten Hälfte des Artikels gehen wir auf die Physik der High School ein, die hinter dieser coolen Technologie steckt. Wenn Sie dies überspringen möchten, können Sie direkt zum Abschnitt über verfügbare Produkte gehen.

Wie funktioniert es eigentlich? Mobile Ladegeräte werden verwendet, um den Wechselstrom vom Netz in die erforderlichen Gleichstrompegel umzuwandeln, und nach einem bestimmten Gleichrichtungs- und Filtrationsprozess werden die Gleichstrompegel zum Laden der Batterie zugeführt. Beim herkömmlichen Laden versorgt das Ladegerät die Ladeschaltung des Mobiltelefons über ein leitendes Medium (ein USB-Kabel) mit Strom. Nehmen Sie jedoch einen Fall an, in dem diese Energieübertragung von der Ladeeinheit zur Ladeschaltung erfolgt, ohne dass äußerlich ein physisches Medium erforderlich ist.

Das kabellose Laden basiert auf dem Prinzip der Magnetresonanz oder der induktiven Energieübertragung (IPT). Dieser Prozess des Transports eines elektrischen Stroms zwischen zwei Objekten kann durch die Verwendung von Spulen erreicht werden, um ein elektromagnetisches Feld zu induzieren. Um die Konzepte hinter dem kabellosen Laden zu verstehen, müssen wir uns mit den damit verbundenen Terminologien vertraut machen. Die Übertragung von Energie vom Ladegerät auf Mobile erfolgt durch gegenseitige Induktion, die dem Faradays-Gesetz der Induktion unterliegt.

FARADAYS-EXPERIMENTE

Faraday hat erfolgreich bewiesen, dass nur der induzierte Strom erzeugt wird, wenn die Stärke des Magnetfelds variiert wird. Die Stärke des Magnetfelds kann als die Anzahl der Magnetfeldlinien angenommen werden, die durch einen bestimmten Bereich verlaufen. Dies wird auch als magnetischer Fluss bezeichnet.

Von: https://byjus.com/physics/faradays-law/

Das nächste Experiment von Faraday hat bewiesen, dass der Strom, wenn er durch einen Eisenstab fließt, zu einem Elektromagneten wird. Er bemerkte, dass bei einer Relativbewegung zwischen dem Magneten und der Spule eine induzierte elektromagnetische Kraft erzeugt wird. Wenn der Magnet um seine Achse geschwenkt wird oder der Magnet bewegungslos gehalten wird, wird keine elektromotorische Kraft beobachtet. Daher wird aus dem obigen Experiment die Schlussfolgerung gezogen, dass es eine Variation des Flusses für die Erzeugung elektromagnetischer Kraft geben sollte.

Im dritten Experiment stellte er fest, dass das Galvanometer keine Auslenkung zeigt und kein induzierter Strom in der Spule erzeugt wird, wenn die Spule in einem stationären Magnetfeld bewegt wird. Das Amperemeter schwenkt in die entgegengesetzte Richtung, wenn der Magnet von der Schleife wegbewegt wird.

FARADAYS GESETZE:

Faradays erstes Gesetz: Faradays erstes Gesetz der elektromagnetischen Induktion besagt, dass immer dann, wenn sich ein Leiter in einem schwankenden Magnetfeld befindet, eine EMF induziert wird, die als induzierte EMF identifiziert wird, wenn der Leiterkreis geschlossen ist. Der Strom wird ebenfalls induziert, was als induzierter Strom bezeichnet wird.

Möglichkeiten zur Änderung des Magnetfelds: 1. Durch Drehen der Spule relativ zum Magneten. 2. Durch Bewegen der Spule in das Magnetfeld oder aus diesem heraus. 3. Durch Ändern der Fläche einer im Magnetfeld platzierten Spule. 4. Bewegen Sie einen Magneten zur Spule hin oder von dieser weg.

Faradays zweites Gesetz: Es besagt, dass die induzierte EMF gleich der Änderungsrate der Flussverknüpfung ist, wobei die Flussverknüpfung nichts anderes als das Produkt der Anzahl der Windungen in der Spule und des mit der Spule verbundenen Flusses ist.

Faradaysches Induktionsgesetz: ε = −NΔϕΔt Eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt einen Strom, der sich in eine singuläre Richtung bewegt, so dass das geänderte Feld durch das Magnetfeld ersetzt werden kann. Strom kann auch ohne Batterie in der Schaltung erzeugt werden. Das Faradaysche Gesetz beschreibt die induzierte elektromotorische Kraft und den Weg, die induzierte elektromotorische Kraft durch Induzieren eines Stroms zu finden.

Die Schlussfolgerung lautet daher, dass sich die elektromotorische Kraft erzeugt, wenn sich der Magnetfluss oder das Magnetfeld mit der Zeit ändert. “

Gegenseitige Induktivität

Die gegenseitige Induktivität ist das Grundprinzip der Motoren, Transformatoren, Generatoren und aller anderen elektrischen Komponenten, die mit einem anderen Magnetfeld interagieren. Dann können wir die gegenseitige Induktion als den in einer Spule fließenden Strom definieren, der eine EMF in einer benachbarten Spule induziert. Daher ist die gegenseitige Induktion als eine Eigenschaft von zwei Spulen definiert, durch die jede Spule der Änderung der Stärke des durch die andere fließenden Stroms entgegenwirkt, indem sie eine EMK in sich selbst induziert. (oder in einfachen Worten, wenn sich der mit einer Spule verbundene Magnetfluss ändert, wird eine EMK in der benachbarten Spule induziert.)

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Wenn eine Spule sehr nahe an der anderen Spule positioniert ist, interagiert fast der gesamte von der ersten Spule erzeugte Magnetfluss mit den Spulenwindungen der zweiten Spule, wodurch eine relativ große EMK induziert wird und daher ein großer gegenseitiger Induktivitätswert erzeugt wird.

Wenn der Abstand zwischen den Spulen beträchtlich groß ist, verbindet sich der geringe Magnetfluss von der Primärspule mit der Spulenwindung der Sekundärspule, wodurch eine kleine EMK in der Sekundärspule induziert wird.

KONZEPT DER DRAHTLOSEN LADUNG:

Die mit dem kabellosen Ladevorgang verbundenen Schritte sind:

Lassen Sie uns den gesamten Ladevorgang in zwei Schaltkreise aufteilen: Senderschaltung Empfängerschaltung

Der Zweck der Senderschaltung besteht darin, die empfangene Spannung in hochfrequenten Wechselstrom umzuwandeln. Nachdem der Hochfrequenzstrom von der Senderschaltung erzeugt wurde, wird er der Sendespule in der Schaltung zugeführt. Wenn der hochfrequente Wechselstrom durch die Spule abgegeben wird, induziert er das Magnetfeld in der Spule und die Spule arbeitet nun als Elektromagnet gemäß 2 und Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Wenn sich nun das Magnetfeld in einer Spule ändert und die andere Spule in einem ausreichend engen Abstand angeordnet ist, wird die EMK in die benachbarte Spule induziert. Der Wechselstrom induziert einen Wechselfluss in der Sendespule, der einen Wechselmagnetfluss im Kern induziert. Wenn sich der Kern durch die Sekundärseite erstreckt, ist auch ein gewisser magnetischer Fluss mit der Sekundärseite verbunden. Nun tritt wieder das gleiche umgekehrte Phänomen auf, das induzierte Magnetfeld in der Empfängerspule erzeugt den Wechselstrom in die Empfängerschaltung gemäß dem weit verbreiteten Induktionsgesetz. Daher wird die Energie durch Induktion oder Kopplung von der Senderschaltung zur Empfangsschaltung übertragen. Im letzten Schritt wird der induzierte Wechselstrom durch eine Reihe von Filtern und Gleichrichtern in die erforderliche Gleichspannung umgewandelt. Zuletzt wird der stabile Strom zum Laden in den Akku eingespeist. Anschließend erfolgt auf diese Weise das kabellose Laden.

Standard Wireless Power Technologies: Wenn wir über Wireless Charging-Technologie sprechen, gibt es zwei am häufigsten verwendete Technologien auf dem Markt. Dies sind: Wireless Power Consortium (WPC) und die Power Matters Alliance (PMA). Die drahtlose Technologie ist seit einem Jahrzehnt auf dem Markt, um diese Technologie für den Einsatz auf dem Markt zu nutzen. Daher wurde 2008 das Wireless Power Consortium (WPC) gegründet, um die Entwicklung drahtloser Ladelösungen zu standardisieren. Danach wurde PMA 2012 eingeführt, um dem gleichen Zweck zu dienen. Sowohl PMA als auch WPC sind ähnliche Techniken und arbeiten nach dem gleichen Prinzip der magnetischen Induktion, unterscheiden sich jedoch in der Betriebsfrequenz und den verschiedenen Verbindungsprotokollen.

Von: https://www.idt.com/products/power-management/wireless-power/introduction-to-wireless-battery-chargingVon: http://techlife.samsung.com/6-times-wireless-charging-comes-handy-1557.html

ÜBERSICHT: In Bezug auf den WPC-Ladestandard handelt es sich um eine offene Mitgliederorganisation, die die Ladestandards einhält. Einer von ihnen ist Qi Standard. Der Qi-Standard ist der am weitesten verbreitete Standard, der zu mehr als 90% des Marktstandards beiträgt. Er ist auf vielen Mobilgeräten und Marktführern wie Samsung, HTC, Nokia und Apple Phones verfügbar. Die Geräte, die über den Qi-Standard aufgeladen werden, benötigen eine physische Verbindung mit der Ladequelle. Die Qi-Technologie unterstützt derzeit die drahtlose Energieübertragung von bis zu 5 W über Entfernungen von bis zu 5 mm. Sie wird jedoch entwickelt, um bis zu 15 W und danach bis zu 120 W über viel größere Entfernungen zu liefern.

Im Qi-Standard ist eine physische Verbindung zwischen dem Gerät und der Ladequelle erforderlich. Die Quelle, auch Basisstation genannt, liefert die induktive Energie an die mobilen Geräte. Die Basisstation besteht aus einem Sender, der eine wechselnde EMK erzeugt, und das mobile Gerät enthält eine Empfängerschaltung, in die eine Empfängerspule eingebettet ist. Der nächste Schritt ist die alternierende EMK, die den Strom in der Empfängerspule durch gegenseitige Induktion induziert. Die Qi-Technik funktioniert auch unter Verwendung einer resonanten Induktivität zwischen der Station und dem Gerät.

Die Betriebsfrequenz beträgt 100–200 kHz. Nach ähnlichen Prinzipien arbeitet die PMA-Technologie nach dem gleichen induktiven Prinzip, arbeitet jedoch in einem anderen Frequenzbereich (normalerweise doppelt so hoch wie der Qi-Standard). In den letzten Tagen haben PMA und A4WP eine Vereinbarung zur Schaffung eines zusammengeschlossenen Standards (jetzt Air-Fuel Alliance) unterzeichnet. Diese Technologie basiert auf einem anderen Prinzip, das als Magnetresonanz (MR) bezeichnet wird. In der Anfangsphase beträgt die standardmäßig zulässige Leistungsabgabe 3,5 W und 6,5 W, in letzter Zeit wurde diese jedoch auf 50 W erhöht. Da beide Technologien auf Magnetkopplung arbeiten, besteht A4WP jedoch aus einem locker gekoppelten, jedoch enger abgestimmten Empfänger und Sendespulen mit einem sehr hohen Q (Qualitätsfaktor). Als solches bietet Luft-Kraftstoff mehr Flexibilität hinsichtlich der physischen Platzierung des Senders zum Empfänger.

Induktive und resonante Ladetechnologien: Die oben diskutierten Standards für drahtloses Laden funktionieren mit induktiven und resonanten Technologien. Die induktive Technologie ist die Art der Konformität, die hauptsächlich vom Qi-Standard für das Laden verwendet wird. Diese Technologie verwendet eng gekoppelte Spulen und überträgt Leistung nur über sehr kurze Entfernungen unter Verwendung von Niederfrequenzresonanztanks. Die Entfernung, bis zu der die Kraftübertragung stattfindet, beträgt weniger als 10 mm. Im Jahr 2009, zunächst, als der Qi-Standard auf dem Verbrauchermarkt auftaucht. Der Strombedarf zu diesem Zeitpunkt wird als sehr gering angesehen (ca. 5 W). Im Laufe der Zeit stieg die Leistungsfähigkeit durch den Qi-Standard 2012 auf 15 W („mittlere Leistung“). Experimentelle Ergebnisse und Tests bestätigten, dass die Qi-Technologie bald eine 100-W-Kraftübertragung anstrebt.

Der Nachteil der Übertragung von Energie über sehr kurze Entfernungen wird durch die andere resonante drahtlose Energietechnologie überwunden, die als lose gekoppelte Lösung angesehen wird. Mit dieser Technologie können wir Leistung über große Entfernungen übertragen (viele Falten größer als die induktive Kopplung). Die Frequenz, mit der die Resonant-Technologie arbeitet, ist höher als die der induktiven. Ein weiterer Vorteil der Resonant-Technologie ist die Möglichkeit, mehrere Geräte mit 22 W aufzuladen. Die Magnetresonanzkopplung trifft typischerweise im Megahertz-Frequenzspektrum, die Qualitätsfaktoren sind üblicherweise hoch. Mit zunehmender Ladereichweite trägt der hohe Qualitätsfaktor dazu bei, die starke Abnahme der Kopplungseffizienz und damit der Ladeeffizienz zu mildern.

Von: http://wirelesspowerrenaissance.blogspot.in/2014/05/ieee-p21001-a4wp-pma-wpc.htmlVon: www.mediatek.com

DRAHTLOSE LADEGERÄTE AUF DEM MARKT:

Mophie Wireless Charging Base: Dieses Ladegerät wurde speziell für iPhone-Modelle speziell für iPhone 8 und X entwickelt. Dieses Wireless-Ladegerät ist sehr tragbar und hat einen sehr kleinen Formfaktor mit Abmessungen von 0,45 x 3,82 x 3,82 Zoll und einer Leichtigkeit von 4,37 Unzen. Diese kabellose Ladestation kann problemlos in einem Rucksack oder Koffer verstaut werden. Das Ladegerät dient zum schnellen Laden Ihrer IOS-Geräte. Dies ist ein Qi Standard-Ladegerät mit einer Puckform und einer gummiartigen Oberfläche, die verhindert, dass es von glatten Oberflächen rutscht. Das Mophie-Ladegerät ist das energieeffizienteste Ladegerät auf dem Markt und kann die Apple-Geräte mit 7,5 W aufladen, was über der durchschnittlichen Leistung liegt. Wenn diese Ladestation an Ihr Gerät angeschlossen ist, kommuniziert die in dieses Ladegerät integrierte intelligente Ladeschaltung mit Ihrem Gerät, um die richtige Menge an Strom zu ermitteln, die für ein sicheres und schnelles Laden benötigt wird. Überladung wird durch ausfallsichere Schaltkreise verhindert, und um eine Überhitzung zu vermeiden, wird die Temperatur intelligent gesteuert.

Einige unterscheidbare Merkmale sind: Ultraschnelle Reaktionszeit: Das Gerät wird bei Kontakt sofort aufgeladen. Niedriger Standby-Strom: Diese Funktion gewährleistet einen minimalen Stromverbrauch im Leerlauf. Fremdkörpererkennung: Kommuniziert intelligent mit dem Gerät in der Nähe und stellt sicher, dass nur kompatible drahtlose Geräte (Qi-Standardgeräte) mit Strom versorgt werden.

Ausgangsleistung 7,5W

Standard Qi Abmessungen 0,45 "x 3,82" Gewicht 4,37 g (124 g) Kabel enthalten: Ja Netzteil enthalten: Ja

Von: http://www.macotakara.jp/blog/accessories/entry-33405.html

Ravpower's Wireless Fast Charging Pad: Dieses Ladegerät funktioniert mit einer Vielzahl von Geräten wie Android Platform, Smartwatches usw. Es ist auch ein Qi-basiertes Ladegerät und kann eine maximale Leistung von 10 W abgeben. Neben einem kabellosen Ladegerät kann das RavPower-Ladegerät auch als USB-Ladegerät verwendet werden und unterstützt Qualcomm Quick Charge 3.0. Zusätzlich wird ein Schnellladeadapter (Quick Charge 3.0) zusammen mit dem oben genannten kabellosen Ladegerät mitgeliefert, das eine Leistung von 24 W abgeben kann. Zusätzlich zur Attraktivität dieses Geräts verfügt es über eine intelligente Anzeige, die Sie über den aktuellen Batteriestatus informiert, und integrierte Schutzfunktionen wie Überstrom, Überspannung und Übertemperatur sorgen dafür, dass Ihr Telefon und Ihr Gerät geschützt sind. Mit einem wettbewerbsfähigen Preis von 50 US-Dollar ist es zweifellos eines der schnellsten und preisgünstigsten kabellosen Ladegeräte auf dem Markt. Ausgangsleistung 10 W Standard-Qi-Abmessungen 3,54 "x 0,62" Gewicht NA-Kabel enthalten: Ja Netzteil enthalten: Ja

Von: https://www.ravpower.com/RAVPower-wireless-charger-quick-charger-QC-adapter.html

BELKIN BOOST ↑ UP ™ Wireless Charging Pad: Das Belkin Charging Pad wurde speziell für Apple-Geräte entwickelt und mit der Innovation des Jahres 2018 ausgezeichnet. Das Belkin arbeitet eng mit Apple zusammen, um die Wireless-Ladetechnologie für Apple-Geräte wie iPhone X, iPhone 8 usw. Herzustellen Einige der wichtigsten Funktionen sind: 1. Belkin hat eng mit Apple zusammengearbeitet, um ein Ladepad für iPhone X, iPhone 8 Plus und iPhone 8 zu entwickeln. Die für die neuen iPhones sehr fein abgestimmte Technologie überhitzt oder schließt Ihr Telefon nicht versehentlich runter. Dieses Ladegerät ist auf eine Leistung von 7,5 W eingestellt. Das kabellose Ladegerät mit 7,5 W BOOST ↑ UP kann schneller als herkömmliche 5-W-Ladegeräte aufgeladen werden und ermöglicht es Ihnen, Ihr Telefon ohne häufiges Aufladen zu erkunden. 1. Ein durchgehend grünes LED-Licht zeigt perfekt an, wenn Ihr Telefon richtig auf das Pad ausgerichtet ist und aufgeladen wird. Wenn das grüne Licht erscheint, können Sie Ihren Tag beginnen und wissen, dass Ihr iPhone X automatisch aufgeladen und für Sie bereit ist.

2. Einige Metallgegenstände wie Schlüssel und Münzen, die sich auf dem Pad oder in unmittelbarer Nähe befinden, können das Aufladen Ihres Telefons verhindern und die Ladefunktion beeinträchtigen und sogar das iPhone oder das Ladepad beschädigen. Zum Schutz Ihrer Geräte verfügt das Wireless Charging Pad BOOST ↑ UP über eine intelligente Anzeige, die Sie benachrichtigt, wenn ein Fremdkörper erkannt wird oder Ihr Telefon nicht richtig ausgerichtet ist. Ausgangsleistung 7,5 Standard-Qi-Abmessungen 7,5 "x 1,75" x 5,5 "Gewicht NA-Kabel enthalten? Ja Netzteil enthalten? Ja

Von: http://www.belkin.com/us/p/P-F7U027/http://www.belkin.com/us/p/P-F7U014/

Drahtloses Ladekissen aus Nut: Dieses Ladegerät ist mit einem Edelstahlsockel und einem Ladekissen aus Holzkorken ausgestattet. Aufgrund seines Designs und Formfaktors ist es in der Tat eine der besten Entscheidungen auf dem Markt. Dieses Ladegerät arbeitet mit Qi-Technologie und ist mit allen Qi-Geräten kompatibel.

Ausgangsleistung 7,5 W Standard-Qi-Abmessungen 0,45 "x 3,82" Gewicht 4,37 g (124 g) Kabel enthalten: Ja Netzteil enthalten: Ja

von: https://grovemade.com/product/wireless-charging-pad-light

VORTEILE DER DRAHTLOSEN BATTERIELADUNG:

Der Hauptvorteil des kabellosen Ladens besteht darin, dass es eine sichere Möglichkeit zum Laden der elektronischen Geräte bietet und die Benutzerfreundlichkeit verbessert, da der Aufwand für das Anschließen von Kabeln entfällt. Sie müssen sich also keine Sorgen um Ihr Kabel machen. Mit den Fortschritten der Resonanz-Magnetkopplung und der A4WP-Technologie können auch verschiedene Marken und verschiedene Gerätemodelle dasselbe Ladegerät verwenden. Möglicherweise sind verschiedene Geräte nicht mit demselben USB-Kabel kompatibel, aber das drahtlose Ladegerät kann mit allen Mobiltelefonen und auch mit anderen Geräten verwendet werden. Ein einzelnes Ladegerät kann also das Laden mehrerer Geräte unterstützen. Der nächste Vorteil ist die bessere Produkthaltbarkeit (z. B. wasserdicht und staubdicht) für berührungslose Geräte. Da die drahtlose Ladetechnologie ein kontaktloser Prozess ist, wäre der Verschleiß der Geräte vernachlässigbar. Das kabellose Laden ist ein stromsparender Prozess, da das Ladegerät die von Ladegeräten bei Bedarf angeforderte Energie liefert. Mit den auf dem Markt erhältlichen intelligenten Ladegeräten haben sich außerdem der Heizeffekt und die Ladezeit erheblich verringert.

Von: https://grovemade.com/product/wireless-charging-pad-light

DIE DRAWBACKS:

 Wir wissen, dass beim Laden durch Induktion die Energie durch freien Raum übertragen wird, weshalb die Effizienz dieser Ladegeräte im Vergleich zu herkömmlichen Ladegeräten vergleichsweise geringer ist. Die durchschnittliche Übertragungseffizienz, die durch drahtloses Laden erreicht wird, liegt bei etwa 70%.  Da die Energie während der Übertragung verloren geht, verlangsamt sich der Ladevorgang tatsächlich. Die vom kabellosen Ladegerät erzeugte Wärme ist im Vergleich zum normalen Laden sehr groß.  Das drahtlose Ladegerät überträgt EM-Wellen in den Weltraum und ihre gesundheitlichen Auswirkungen müssen genauer untersucht werden.  Das kabellose Ladegerät ist eigentlich kein echtes kabelloses Ladegerät, um das Gerät aufzuladen, das Sie benötigen, um das Ladegerät an das Netzteil anzuschließen, wodurch es nicht tragbar ist.

Referenzen: I. https://en.wikipedia.org/wiki/Inductive_charging II. https://www.electronicshub.org/wireless-mobile- Batterieladegerät / III. https://thewirecutter.com/blog/ IV. http://www.techradar.com/news/best-wireless-chargers V. https://byjus.com/physics/faradays-law/ VI. https://www.theguardian.com/technology/2017/sep/13/apple-iphone- 8-iphone- x- was-ist-kabelloses Laden-do-i-need-it VII. https://en.wikipedia.org/wiki/Qi_(standard) VIII. https://www.androidauthority.com/wireless-charging-

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Herr Alok Parmar arbeitet als Bürgerwissenschaftler bei Dr. Khurana.

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Dr. Sukant Khurana betreibt ein akademisches Forschungslabor und mehrere Technologieunternehmen. Er ist auch ein bekannter Künstler, Autor und Sprecher. Sie können mehr über Sukant unter www.brainnart.com oder www.dataisnotjustdata.com erfahren. Wenn Sie an biomedizinischen Forschungs-, Neurowissenschafts-, nachhaltigen Entwicklungs-, künstlichen Intelligenz- oder datenwissenschaftlichen Projekten für das Gemeinwohl arbeiten möchten, können Sie ihn unter skgroup kontaktieren. iiserk@gmail.com oder indem Sie ihn unter linkedin https://www.linkedin.com/in/sukant-khurana-755a2343/ erreichen.

Diese Geschichte wird in The Startup veröffentlicht, der größten Publikation für unternehmerische Initiative von Medium, gefolgt von mehr als 300.118 Personen.

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