ITMI20061059A1 - Dispositivo di controllo per il pilotaggio di per solenoidi in corrente alternata e solenoidi bistabili in corrente continua particolarmente per elettrovalvole di impianti di irrigazione - Google Patents
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Description
Dr. Ing. Enrico Mittler
DESCRIZIONE
dell’ invenzione industriale avente per titolo:
“Dispositivo di controllo per il pilotaggio di solenoidi n corrente alternata e solenoidi bistabili in corrente continua, particolarmente per elettrovalvole di impianti di irrigazione”
a nome: CLABER S.p.A.
La presente invenzione concerne un dispositivo di controllo per il pilotaggio di solenoidi in corrente alternata e solenoidi bistabili in corrente continua, particolarmente per elettrovalvole di impianti di irrigazione per prati, giardini, orti e così via.
Uno dei problemi più sentiti nella progettazione di un sistema di irrigazione centralizzato è legato a quanto questo riesca ad adattarsi alle condizioni particolari del terreno che deve essere irrigato. Diverse tipologie di impianti vengono scelte a seconda che si debbano irrigare parchi, giardini, impianti sportivi o terreni agricoli.
Spesso si è dovuto progettare un impianto secondo uno schema ad hoc per soddisfare le esigenze del cliente: è chiaro che ne derivano costi di ingegnerizzazione che incidono sensibilmente sul costo globale dell’impianto, riducendo competitività e profitto.
Inoltre, il cablaggio necessario è solitamente elevato e talora comporta difficoltà nelle fasi di installazione, collaudo, manutenzione e successivo ingrandimento dell’ impianto. È infatti usuale che i tecnici di installazione ed i giardinieri non siano esperti in impianti elettrici.
Per queste ragioni, il mercato dei prodotti per impianti centralizzati di Dr. Ing. Enrico Mittler
irrigazione si evolve nel senso di sempre più elevati livelli di standardizzazione e di modularità dei componenti, di modo che questi siano commercializzabili “a scatola chiusa” ed installabili “in blocco” senza causare difficoltà agli installatori.
Un’applicazione di questo concetto può essere rappresentata, ad esempio, da un dispositivo di controllo per impianti di irrigazione che sia in grado di pilotare indifferentemente i due tipi di elettrovalvole attualmente in uso, ossia elettrovalvole con solenoide in corrente alternata o elettrovalvole con solenoide bistabile in corrente continua.
Negli impianti di irrigazione la scelta delle elettrovalvole dipende da vari fattori, legati alle caratteristiche proprie delle elettrovalvole ed al tipo ed alla dislocazione dell’impianto di irrigazione.
Solitamente, le elettrovalvole con solenoide in corrente alternata sono poco costose; in più, presentano adeguati livelli di sicurezza in quanto, in caso di malfunzionamento, tendono a chiudersi, interrompendo il passaggio dell’acqua. Per contro, esse necessitano di un sistema di alimentazione in corrente alternata che fornisca adeguata potenza, e richiedono perciò costi di gestione elevati e la vicinanza ad una rete elettrica.
Le elettrovalvole con solenoide bistabile in corrente continua sono invece più costose; inoltre, sono meno sicure in quanto, in caso di interruzione del collegamento elettrico tra il dispositivo di controllo e l’elettrovalvola, quest’ultima rimane nello stato in cui si trovava prima dell’ interruzione, quindi anche aperta. Peraltro esse richiedono meno potenza e possono essere alimentate a batteria o da celle solari, dato che i solenoidi bistabili non richiedono energia se non per la transizione da uno stato all’altro.
Dr. Ing. Enrico Mittler
Attualmente i dispositivi di controllo per impianti di irrigazione sono a loro volta di tipo diverso a seconda del tipo di elettrovalvole impiegate nell’impianto medesimo. Non esiste cioè un dispositivo di controllo utilizzabile indifferentemente per elettrovalvole con solenoide in corrente alternata e con solenoide bistabile in corrente continua.
Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di controllo che consenta di pilotare indifferentemente solenoidi in corrente alternata o solenoidi bistabili in corrente continua, e quindi elettrovalvole per impianti di irrigazione con solenoidi dell’uno o dell’altro tipo.
In accordo con l’invenzione tale scopo è raggiunto con un dispositivo di controllo per il pilotaggio di solenoidi del tipo in corrente alternata o bistabile in corrente continua, caratterizzato dal fatto di comprendere morsetti di alimentazione selettivamente collegabili ad una sorgente di tensione in corrente alternata o continua, morsetti di carico collegabili ad un solenoide pilotato, almeno un dispositivo triac collegato in serie a detto solenoide pilotato, mezzi comandabili per l’accensione di detto triac e mezzi selettori interposti tra detti morsetti di alimentazione e detti morsetti di carico per commutare il dispositivo di controllo fra una prima configurazione idonea per l’alimentazione di un solenoide in corrente alternata ed una seconda configurazione idonea per l’alimentazione di un solenoide bistabile in corrente continua e mezzi invertitori comandabili per invertire la polarità della tensione presente ai morsetti di carico rispetto a quella applicata ai morsetti di alimentazione quando il dispositivo di controllo è selezionato in detta seconda configurazione.
In questo modo, ai morsetti di carico dello stesso dispositivo di Dr. Ing. Enrico Mittler
controllo può essere indifferentemente collegato un solenoide in corrente alternata o un solenoide bistabile in corrente continua.
Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcuni esempi di realizzazione pratica illustrati a titolo non limitativo nei disegni allegati, in cui:
la figura 1 mostra una prima forma di realizzazione del dispositivo di controllo secondo la presente invenzione nella configurazione “per solenoide in corrente alternata”;
la figura 2 mostra il diagramma temporale del funzionamento del dispositivo di figura 1 nella configurazione “per solenoide in corrente alternata”;
la figura 3 mostra il dispositivo di controllo di figura 1 in un primo stato nella configurazione “per solenoide bistabile in corrente continua”;
la figura 4 mostra il dispositivo di controllo di figura 1 in un secondo stato nella configurazione “per solenoide bistabile in corrente continua”;
la figura 5 mostra il diagramma temporale del funzionamento del dispositivo di figura 1 nella configurazione “per solenoide in corrente alternata”;
la figura 6 mostra lo schema circuitale di una seconda forma di realizzazione del dispositivo di controllo secondo la presente invenzione; la figura 7 mostra il diagramma temporale del funzionamento del dispositivo di controllo di figura 6 secondo la configurazione “per solenoide bistabile in corrente continua”;
la figura 8 mostra lo schema circuitale di un moltiplicatore di tensione Dr. Ing. Enrico Mittler
utilizzabile per elevare la tensione continua di ingresso del dispositivo di controllo nel funzionamento in corrente continua;
la figura 9 mostra lo schema circuitale di un trasformatore per elevare la tensione continua di ingresso del dispositivo di controllo nel funzionamento in corrente continua.
Uno schema elettrico semplificato di un dispositivo di controllo 1 secondo una forma realizzati va dell’invenzione è riportato in figura 1.
La porta di alimentazione di detto dispositivo 1 è formata da due morsetti di ingresso o alimentazione 2 e 3, quest’ultimo collegato a massa. La tensione di ingresso Vmpuò essere sia in corrente alternata a bassa tensione (24Vac) che in corrente continua a batteria (9Vdc o 12Vdc) o fornita da celle solari.
La porta di uscita è formata da due morsetti di uscita o di carico 4 e 5, a cui vengono collegati i morsetti di un solenoide pilotato L, che può essere in corrente alternata oppure bistabile in corrente continua.
In serie al solenoide pilotato L è collegato tramite terminali 5 e 6 un dispositivo triac T, che ha un gate G controllato da mezzi opportuni, per esempio da un microprocessore M. La serie formata da detto solenoide pilotato L e da detto triac T può essere attraversata da una corrente i.
Ai capi della suddetta serie formata dal solenoide pilotato L e dal triac T vi sono due deviatori SlsS2meccanicamente solidali e comandati da un selettore a relè S di commutazione tra corrente alternata AC e corrente continua DC, a sua volta comandabile dal suddetto microprocessore.
Nel dispositivo 1 sono presenti altri due deviatori AlsA2meccanicamente solidali e comandati da un relè A di inversione tra acceso Dr. Ing. Enrico Mittler
“On” e spento “Off’, a sua volta comandabile dal suddetto microprocessore.
Le posizioni assumibili dal selettore S , e di conseguenza dai deviatoriS), S2sono:
“AC” (figura 1): il deviatore Si collega il morsetto di alimentazione 2 con il morsetto di uscita 4; il deviatore S2collega il terminale 6 con la massa; con il selettore così disposto, il dispositivo di controllo 1 è in configurazione “per solenoide in corrente alternata”;
“DC” (figure 3, 4): il deviatore S],collega il deviatore A\con il morsetto di uscita 5 ; il deviatore S2collega il deviatore A2con il terminale 6; con il selettore S così disposto, il dispositivo di controllo 1 è in configurazione “per solenoide bistabile in corrente continua”.
Le posizioni del relè di inversione A, e di conseguenza dei deviatori Aj ed A2, influenzano il comportamento del dispositivo 1 solo se quest’ ultimo è configurato “per solenoide bistabile in corrente continua”. Dette posizioni sono:
“DC On” (figura 3): il deviatore A\collega il morsetto di ingresso 2 con il deviatore Slsse impostato in posizione “DC”; il deviatore A2collega il morsetto di ingresso 3 con il deviatore S2, se impostato in posizione “DC”; in questo modo, la serie formata dal solenoide pilotato L e dal triac T è polarizzata con tensione Vin>0;
“DC Off’ (figura 4): il deviatore A\collega la massa con il deviatore Slsse impostato in posizione “DC”; il deviatore A2collega il morsetto di ingresso 2 con il deviatore S2, se impostato in posizione “DC”; in questo modo, la serie formata dal solenoide Dr. Ing. Enrico Mittler
pilotato L e dal triac T è polarizzata con tensione Vm<0.
Prima di illustrare il funzionamento del dispositivo nel suo complesso, appare utile descrivere come operano il triac T ed il microprocessore M.
Per quanto riguarda il triac T, se il gate G è sollecitato con una tensione negativa, per esempio pari a -3V, allora il triac T è “in conduzione” (si può anche dire “è acceso”), e permette il passaggio di corrente i, comportandosi come un interruttore chiuso. Quando il gate G non è più sollecitato, il triac T è “in spegnimento”: il triac T continua a condurre fino al momento in cui la corrente i diventa nulla. Quando la corrente i si annulla, il triac T diventa “spento” e non permette più il passaggio di corrente, comportandosi come un interruttore aperto, fino al momento in cui il gate G è nuovamente sollecitato da una tensione di -3V.
A sua volta il microprocessore M controlla le operazioni del dispositivo 1. Esso è in grado di riconoscere se la tensione di alimentazione Vinè continua o alternata, come pure di ricevere ulteriori informazioni date dall’utente o da programmi preregistrati in una memoria associata al microprocessore. Fra queste informazioni deve essere compresa quella del tipo di solenoide pilotato L, se bistabile in corrente continua o in corrente alternata. In funzione delle informazioni ricevute e per effetto della sua programmazione il microprocessore comanda il gate G del triac T (e conseguentemente la corrente i al solenoide pilotato L), il selettore S (e conseguentemente la tensione di alimentazione del solenoide L, se continua o alternata) ed il relè di inversione A (e conseguentemente il segno della tensione ai capi della serie formata dal solenoide L e dal triac T).
Il funzionamento del dispositivo 1 configurato “per solenoide in Dr. Ing. Enrico Mittler
corrente alternata” è rilevabile dalle figure 1 e 2.
Ai morsetti di ingresso 2, 3 è applicata una tensione alternata Vin, tipicamente 24V. Il selettore S è in posizione “AC”; la posizione del relè di inversione A è ininfluente. La serie costituita dal solenoide L e dal triac T è alimentata con tensione alternata ma non si ha flusso di corrente finché il gate rimane diseccitato. Quando il gate G viene eccitato, il triac T passa in conduzione ed il solenoide pilotato L è percorso da corrente i non nulla e quindi è eccitato. Quando il gate G viene diseccitato, la corrente i continua a fluire fino al momento in cui la tensione alternata di alimentazione passa da un valore positivo a zero; a quel punto la corrente i si annulla, il triac T si spegne ed il solenoide L si diseccita. Essendo la tensione di alimentazione Vmalternata, il triac T si spegne entro un semiperiodo.
Il diagramma temporale del funzionamento del dispositivo di controllo nella configurazione “per solenoide in corrente alternata” è illustrato in fig. 2.
Si descrive in seguito il funzionamento secondo la configurazione “per solenoide bistabile in corrente continua”, rilevabile dalle figure 3-5. Per prima cosa si descrive come viene effettuata la transizione del solenoide pilotato L dallo stato “Off’ allo stato “On”.
I morsetti di ingresso 2, 3 sono alimentati con tensione continua ν1η.Il selettore S è in stato “DC” (fig. 3) ed il relè di inversione A è in stato “DC On”La serie costituita dal solenoide L e dal triac T è alimentata con tensione continua positiva ma non si ha passaggio di corrente finché il gate del triac T rimane diseccitato.
Quando il microprocessore M impone una tensione negativa -3 V al gate G del triac T (transizione a in fig. 5), quest’ultimo passa in conduzione e Dr. Ing. Enrico Mittler
permette il passaggio di una corrente i>0 nel solenoide pilotato L; tale corrente i>0 è sufficiente ad imporre al solenoide pilotato L di cambiare stato e di passare in stato “On”.
Una volta che il solenoide controllato L si è portato in stato “On”, quest’ultimo non necessita più di essere alimentato. Il microprocessore M diseccita allora il gate G del triac T (transizione b di figura 5), ma il triac T continua a condurre, perché la corrente i che lo attraversa è continua e diversa da zero.
Il microprocessore impone poi al relè di inversione A di portarsi in posizione “DC Off’ (transizione c di figura 5), configurando il dispositivo 1 come in figura 4. 1 morsetti 4, 6 della serie formata dal solenoide L e dal triac T vengono rapidamente polarizzati alla tensione negativa -Vme in questa transizione la corrente i si annulla, causando lo spegnimento del triac T, che impedisce il passaggio di ulteriore corrente i nel solenoide pilotato L. In seguito, il microprocessore impone al relè di inversione A di riportarsi in posizione “DC On” (transizione d di figura 5). In questa condizione il dispositivo di controllo 1 non consuma energia.
Quando è richiesto che il solenoide pilotato L si porti in stato “Off’, il relè di inversione A viene commutato in stato “DC Off’ (transizione e di figura 5).
Successivamente, il microprocessore eccita il gate G del triac T (transizione f di figura 7), che, pertanto, passa in conduzione e permette il passaggio di corrente i<0 nel solenoide pilotato L. Il passaggio di una sufficiente corrente i<0 impone al solenoide L di portarsi in stato “Off’.
A questo punto, bisogna ancora spegnere il triac T per evitare un inutile Dr. Ing. Enrico Mittler
consumo di energia.
Per prima cosa, il microprocessore diseccita il gate G del triac T (transizione g di figura 5), ma la corrente i<0 continua a fluire nella serie formata dal solenoide pilotato L e dal triac T.
Infine, il microprocessore (transizione h di figura 5) impone al relè di inversione A di portarsi in stato “DC On”: i morsetti 4, 6 della serie solenoide-triac vengono rapidamente polarizzati ad una tensione positiva, per cui la corrente i si annulla, forzando lo spegnimento del triac.
Un secondo esempio di realizzazione dell’invenzione è mostrato in fig.
6 e richiede una sorgente di alimentazione bipolare se utilizzato per controllare un solenoide bistabile in corrente continua, ma permette di utilizzare componenti puramente elettronici al posto del relè di inversione elettromeccanico A.
I morsetti di ingresso sono cinque:
un morsetto di ingresso 11 per l’alimentazione in corrente alternata; un morsetto di ingresso 12 per l’alimentazione in corrente continua con potenziale positivo costante VdC>0;
- un morsetto di ingresso 13 di massa;
un morsetto di ingresso 17 negativo per l’alimentazione in corrente continua con potenziale positivo costante -Vdc<<>0;
un morsetto 18 a potenziale negativo (per esempio -3 V).
I morsetti di uscita o di carico 4, 5 sono collegati al solenoide pilotato L bistabile in corrente continua o in corrente alternata, in serie ad un triac T con un gate G comandato da un microprocessore M. Il gate G richiede una tensione di attivazione negativa, per esempio di -3 V.
Dr. Ing. Enrico Mittler
Il morseto 4 è collegato ad un deviatore Si, comandato da un seletore S che permete di impostare il dispositivo di controllo 1 per Γ alimentazione in corrente continua o in corrente alternata.
Due circuiti di precarica PCone PC0ffsono collegati a due morseti Pone P0ff, collegati a due uscite del microprocessore M. Pone P0ffrichiedono una tensione di -3V per ativare i circuiti di precarica PCone PC0ff. In serie ai circuiti di precarica PCone PC0ffvi è un resistere 3⁄4.
A valle del resistore Ree del seletore S vi è la serie formata dal solenoide pilotato L e dal triac T; tale serie è posta in parallelo a due condensatori Cone C0ff, ciascuno dei quali è in parallelo a diodi D0ffe Don, disposti a polarità invertita come in figura 6.
Se l’alimentazione è alternata, il circuito funziona come nell’esempio di realizzazione precedente. Pertanto, si ritiene utile illustrare solo il funzionamento con solenoide bistabile in corrente continua, ossia nella configurazione illustrata in figura 6.
Seguendo il diagramma temporale di figura 7, si nota che, eccitando il morseto Pondel circuito di precarica PCon, si forza la conduzione del transistore Qlsche si comporta come un interrutore chiuso e permete la carica del condensatore Con. Naturalmente, ciò deve avvenire mentre il triac T è spento ed il transistore Q3è chiuso.
Nel momento in cui il gate G del triac T viene eccitato, il condensatore Consi scarica ed impone una corrente i>0 al solenoide pilotato L, che si porta in stato “On”. A differenza dell’esempio di realizzazione precedente, in questo caso la corrente i si annulla in modo naturale, per effeto della scarica del condensatore.
Dr. Ing. Enrico Mittler
Per riportare il solenoide pilotato L in stato “Off’ è necessario eccitare il morsetto di precarica P0ffdel circuito di precarica PC0ff, che carica negativamente il condensatore C0ff- Eccitando il gate G del triac T si forza poi la scarica del condensatore C0g·, che impone una corrente i<0 al solenoide pilotato L, come illustrato in fig. 7.
Per avere una corrente più elevata sia di On che di Off occorre aumentare le tensioni Vdc e -Vdc. Partendo dalla tensione di batteria disponibile Vbat, un modo è quello di utilizzare un moltiplicatore di tensione MT come quello illustrato in fig. 8, utilizzante amplificatori invertitori I, condensatori C, diodi D, resistenze R ed un transistore di ingresso Q ed in cui un ramo MT’ genera la tensione Vdc e l’altro ramo MT” genera la tensione -Vdc.
“Moli” è un comando che abilita la moltiplicazione e che va applicato contemporaneamente ai comandi di precarica Pone P0fr, rispettivamente.
Un circuito moltiplicatore di tensione alternativo a quello di fig. 8 è illustrato in fig. 9 e comprende un trasformatore elevatore di tensione TM, il cui secondario è dotato di una presa centrale 30 al potenziale di massa.
Il primario del trasformatore M è collegato ad un circuito di ingresso che comprende un diodo Zener Z, un transistore Q, una resistenza R ed un condensatore C ed è alimentato al morsetto P con una tensione Vpad onda quadra a duty-cycle variabile, mentre il secondario provvede alla carica contemporanea dei condensatori Cone C0ff.
Abilitando Pon, il condensatore Conpuò scaricarsi sul solenoide L in coincidenza con Γ abilitazione del gate G del triac T, attivando il solenoide stesso.
Dr. Ing. Enrico Mittler
Abilitando P0ff, il condensatore C0fr può scaricarsi sul solenoide L in coincidenza con l’abilitazione del gate G del triac T, disattivando il solenoide stesso.
Inoltre, mentre con il moltiplicatore di fig. 8 applicato al circuito di fig.
6 occorre attendere un tempo fino a 10 secondi, per esempio, prima di poter attivare il solenoide ed uno analogo per disattivarlo per un totale di 20 secondi per un ciclo completo, il circuito con trasformatore di fig. 9, caricando contemporaneamente i condensatori Cone C0ffin 10 secondi, dimezza i tempi di comando del solenoide.
Claims (9)
- Dr. Ing. Enrico Mittler RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo (1) per il pilotaggio di solenoidi del tipo in corrente alternata o bistabile in corrente continua, caratterizzato dal fatto di comprendere morsetti di alimentazione (2, 3; 11, 12, 17) selettivamente collegabili ad una sorgente di tensione in corrente alternata o continua, morsetti di carico (4, 5) collegabili ad un solenoide pilotato (L) , almeno un dispositivo triac (T) collegato in serie a detto solenoide pilotato (L), mezzi (G) comandabili per l’accensione di detto triac (T) e mezzi selettori (S) interposti tra detti morsetti di alimentazione (2, 3; 11, 12, 17) e detti morsetti di carico (4, 5) per commutare il dispositivo di controllo (1) fra una prima configurazione idonea per l’alimentazione di un solenoide (L) in corrente alternata ed una seconda configurazione idonea per l’alimentazione di un solenoide(L) bistabile in corrente continua e mezzi invertitori (A; PCon, PC0ff) comandabili per invertire la polarità della tensione presente ai morsetti di carico (4, 5) rispetto a quella applicata ai morsetti di alimentazione (2, 3; 11, 12, 17) quando il dispositivo di controllo (1) è selezionato in detta seconda configurazione.
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi selettori (S) sono commutabili tra una prima posizione di collegamento diretto di detti morsetti di alimentazione (2, 3; 11, 12, 17) con la serie di detto solenoide (L) e di detto triac (T) per la realizzazione di detta prima configurazione ed una seconda posizione di collegamento di detti morsetti di alimentazione (2, 3; 11, 12, 17) con la serie di detto solenoide (L) e di detto triac (T) tramite detti mezzi invertitori (A; PCon, PC0fr) per la realizzazione di detta seconda configurazione. Dr. Ing. Enrico Mittler
- 3. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi selettori (S) sono del tipo a relè.
- 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi invertitori (A) sono del tipo a relè.
- 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi invertitori (PCon, PC0fr) sono costituiti da circuiti di precarica (PCon, PC0ff) abilitabili con rispettivi comandi (Pone Poff) per la precarica di rispettivi condensatori (Con, C0ff) scaricabili separatamente su detto solenoide (L) per la generazione di correnti di polarità invertita mediante accensione di detto triac (T).
- 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un moltiplicatore di tensione (MT) atto ad elevare la tensione di alimentazione in corrente continua rispetto ad una tensione di batteria (Vbat).
- 7. Dispositivo secondo le rivendicazioni 5 e 6, caratterizzato dal fatto che detto moltiplicatore di tensione (MT) è abilitabile con un comando (Molt) applicato contemporaneamente a separati comandi di precarica (Pone Poff) di detti circuiti di precarica (PCon, PC0ff) e comprende un ramo MT’ per la generazione della tensione Vdc ed un altro ramo MT” per la generazione della tensione -Vdc.
- 8. Dispositivo secondo le rivendicazioni 5 e 6, caratterizzato dal fatto che detto moltiplicatore di tensione (MT) comprende un trasformatore elevatore di tensione (TM),che ha un avvolgimento primario collegato ad un morsetto di ingresso (P) alimentato con una tensione (Vp) ad onda quadra a duty-cycle variabile ed un avvolgimento secondario collegato a detti Dr. Ing. Enrico Mittler condensatori (Cone C0ff.) sotto il controllo di detti circuiti di precarica (PCon, PC0ff) e dotato di una presa centrale (30) collegata a massa.
- 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere un microprocessore (M) per il controllo di detti mezzi (G) per Γ accensione del triac (T), di detti mezzi selettori (S) e di detti mezzi invertitori (A; PCon, PC0ff). Enrico Mittler
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