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Departamento de Sistemas Electrónicos y de Control Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación
Universidad Politécnica de Madrid
ELECTRÓNICA DE POTENCIA Guía de aprendizaje
Curso 2013/2014
Datos básicos de la asignatura Titulación: Departamento: Materia: Número de ECTS: Ubicación temporal: Tipo: Código:
59EC – Grado en Ingeniería Electrónica de Comunicaciones Sistemas Electrónicos y de Control M12: Electrónica Analógica 4,5 8º semestre Optativa 595010046
Requisitos
Es muy recomendable que se haya cursado la asignatura Sistemas Electrónicos de Alimentación Concepto de valor instantáneo, medio y eficaz de una tensión y corriente eléctrica y su implicación en el cálculo de potencia eléctrica. Teoremas fundamentales de electromagnetismo Aplicación práctica de los teoremas de análisis de circuitos. Conocimiento de circuitos electrónicos realimentados, su estabilidad y las técnicas específicas analíticas y gráficas de análisis. Destreza en la utilización de instrumental de laboratorio: osciloscopio, fuente de alimentación, polímetro y generador de funciones. Destreza en el uso de OrCAD‐PSpice.
Competencias Código C_GEN_02
C_GEN_03 C_GEN_04
C_EC_04
CE_EC_05
Competencia Nivel Capacidad de búsqueda y selección de información, de razonamiento crítico y de colaboración y defensa de N3 argumentos dentro del área. Capacidad para expresarse correctamente de forma oral y escrita y transmitir información mediante documentos y N3 exposiciones en público. Capacidad de abstracción, de análisis y de síntesis y de N3 resolución de problemas. Capacidad para aplicar la electrónica como tecnología de soporte en otros campos y actividades y no sólo en el N3 ámbito de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones. Capacidad de diseñar circuitos de electrónica analógica y digital, de conversión analógico‐digital y digital‐analógica, de radiofrecuencia, de alimentación y conversión de energía N3 eléctrica para aplicaciones de telecomunicación y computación.
1
Resultados de aprendizaje
RA01
RA02
RA03
RA04
Conocer los principales conceptos, técnicas y circuitos necesarios para comprender, especificar y diseñar sistemas electrónicos de conversión de potencia Conocer las relaciones entre topología, control y función de los circuitos convertidores de potencia Conocer la metodología de diseño de componentes magnéticos utilizados en sistemas electrónicos de conversión de potencia Seleccionar la topología adecuada, el modo de conducción y de control de los convertidores conmutados con aislamiento galvánico
RA05
Desarrollar soluciones de diseño basadas en convertidores conmutados aislados
RA06
Conocer las técnicas de inversión de tensión mediante modulación PWM sinusoidal
RA07
Conocer soluciones prácticas de circuitos o sistemas de potencia, seleccionando las adecuadas en un proyecto de alimentación de cargas eléctricas o electrónicas
2
Relación entre competencias y resultados de aprendizaje:
C_GEN_02 C_GEN_03 C_GEN_04
CE_EC_05
X
X
X
X
X
X
RA01
X
RA02
X
RA03
X
RA04
X
X
X
X
X
RA05
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
RA06
RA07
X
C_EC_04
X
X
3
Indicadores de evaluación asociados a los resultados de aprendizaje RA
RA01
RA02
RA03
RA04
RA05
Indicadores de evaluación Diferenciar los tipos de convertidores de potencia y sus principales aplicaciones Seleccionar el convertidor adecuado para un proyecto basándose en especificaciones Especificar características de funcionamiento de un sistema de conversión de potencia Identificar las topologías circuitales de convertidores conmutados DC/DC aislados Identificar las topologías circuitales de convertidores conmutados DC/AC Identificar la importancia de la estrategia de control sobre idénticas topologías circuitales y el cambio en la función de conversión de potencia obtenida Identificar los cambios en el proceso de diseño que implica la estrategia de control elegida para los convertidores DC/DC aislados Seleccionar en función de especificaciones, los componentes magnéticos de los convertidores de potencia Aplicar las técnicas de diseño de componentes magnéticos para convertidores de potencia en conmutación Discutir razonadamente los efectos coste/beneficio al relajar parámetros de diseño en componentes magnéticos Seleccionar la topología adecuada de un convertidor DC/DC aislado en base a especificaciones Identificar las diferencias de funcionamiento práctico entre los modos continuo y discontinuo de conducción Conocer y aplicar en el proceso de diseño, las técnicas de control de los convertidores DC/DC aislados Analizar en régimen estacionario tensiones y corrientes en valor instantáneo y promediado para las topologías DC/DC aisladas Identificar restricciones de diseño para los elementos de los convertidores DC/DC aislados según el análisis instantáneo y promediado Utilizar y aplicar la información de los circuitos integrados comerciales de control de convertidores DC/DC en conmutación
Mínimo X X
X X
X X X
X X X X X
4
Identificar las implicaciones prácticas para garantizar la estabilidad del circuito de control según el modo de trabajo y la topología del convertidor DC/DC Identificar las técnicas de generación de tensión alterna a partir de tensión continua Aplicar el principio de funcionamiento de los RA06 inversores DC/AC basados en modulación PWM sinusoidal Diferenciar las técnicas de conmutación bipolar y unipolar en inversores DC/AC Estudio en función de casos de soluciones de RA07 sistemas, equipos o circuitos para alimentación de cargas eléctricas o electrónicas
X X
X
5
Contenidos RA Tema 1.
Introducción a la Electrónica de Potencia Concepto de Electrónica de Potencia. Diagrama 1.1. de bloques de un Sistema de Potencia Convertidores electrónicos de potencia. 1.2. Clasificación. Principio de operación y aplicaciones. 1.3 Definiciones fundamentales.
Componentes magnéticos en Electrónica de Potencia Revisión de conceptos fundamentales de 2.1. electromagnetismo aplicados a diseño de componentes magnéticos Núcleos magnéticos. Materiales y formas según 2.2. frecuencia de funcionamiento Técnicas de diseño de bobinas y 2.3. transformadores con núcleo de ferrita Diseño y construcción de bobina con núcleo Práctica 1. de ferrita
RA01 RA01 RA02 RA01
Tema 2.
Convertidores DC/DC aislados Diagrama de bloques, principio de operación, 3.1. comparación entre topologías aisladas y no aisladas Topologías de convertidores DC/DC con 3.2. aislamiento galvánico. Ejemplos de diseño Control PWM. Lazo de tensión y lazo de 3.3. corriente. Compensación Diseño asistido por ordenador de Práctica 2. convertidores DC/DC aislados
RA01 RA03 RA03 RA03 RA03
Tema 3.
Práctica 3.
Fuente conmutada Flyback
Tema 4. Inversores DC/AC 4.1. La red eléctrica 4.2. Inversores de onda cuadrada 4.3.
Inversores con onda de salida sinusoidal por modulación PWM
4.4. Introducción a los S.A.I. 4.5. Introducción a los inversores resonantes
RA01 RA02 RA02 RA05 RA02 RA05 RA05 RA05 RA07 RA01 RA06 RA06 RA01 RA02 RA07 RA06 6
Práctica 4. Tema 5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5.
Inversor PWM monofásico Técnicas de alimentación de sistemas eléctricos y electrónicos Circuitos de alimentación dedicados. Capacidades conmutadas, alimentación de baja tensión y alta corriente, multifase. Circuitos de supervisión/gestión de alimentación y “hot swap” Corrección electrónica del factor de potencia Técnicas “Energy harvesting” Control electrónico de motores eléctricos
RA06 RA07
RA07 RA07 RA07 RA07 RA07
Actividades de enseñanza, aprendizaje y evaluación.
El desarrollo de los contenidos teórico/prácticos y de laboratorio se realiza en el aula de laboratorio, acondicionada como aula mixta teoría/laboratorio. En la primera semana lectiva, a modo de introducción, se realizará la presentación de la asignatura y la descripción de los conceptos fundamentales asociados a esta materia, de forma conjunta para todos los alumnos matriculados, habiendo citado a los estudiantes previamente. Se muestra el desarrollo de la asignatura en actividades presenciales y no presenciales, tomando en consideración el calendario correspondiente al semestre de primavera. La siguiente tabla representa el desarrollo de la asignatura para un grupo de la asignatura con distribución 3L, de sus 4,5 ECTS. 7
Semana 1 Tema 1
Actividad presencial
Duración
Presentación de la Asignatura
Introducción a la Electrónica de Potencia
2 h
Lugar
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
Laboratorio
Clase expositiva
‐
Metodología
Evaluación
Estudio individual
‐
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
Clase expositiva
‐
Clase expositiva
‐
Actividad no presencial Duración Lugar Revisión de contenidos relacionados en los requisitos de la 2 h Sala de estudio asignatura
Semana 2 Actividad presencial
Duración
Lugar
Tema 2.1
Revisión electromagnetismo
Tema 2.2
Núcleos magnéticos. Materiales y formas
Tema 2.3
Método gráfico de diseño de autoinducción con núcleo de ferrita
Tema 2.3
Ejemplo de diseño de bobina
3h
Laboratorio
Aprendizaje basado en problemas
Formativa
Actividad no presencial Revisión de los conceptos impartidos Realización de ejercicios propuestos
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
Estudio individual
‐
Formativa y sumativa
3h
Sala de estudio
Aprendizaje cooperativo Aprendizaje cooperativo
Estudio previo Práctica 1
Semana 3 Actividad presencial Práctica 1
Diseño y construcción de bobina con núcleo de ferrita Actividad no presencial Realización de ejercicios propuestos Realización memoria práctica 1
Tema 2.3
Formativa
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
3h
Laboratorio
Realización de prácticas
Formativa y sumativa
Duración
Lugar
3h
Metodología Evaluación Aprendizaje basado Formativa y en problemas sumativa Aprendizaje Formativa y Sala de estudio cooperativo sumativa
Semana 4
Tema 2.3
Actividad presencial Método de diseño de transformadores con núcleo de ferrita Ejemplo de diseño de transformador con núcleo de ferrita
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
3h
Laboratorio
Aprendizaje basado en problemas
Formativa
8
Actividad no presencial Revisión Teoría Tema 2 y realización de ejercicios propuestos
Duración
Lugar
3 h
Sala de estudio
Tema 3.1 Tema 3.2
Actividad presencial Revisión formativa actividades entregables Introducción a las F.A.C. Comparativa con topologías no aisladas ya conocidas Convertidor Flyback. Diseño en modo continuo Actividad no presencial
Revisión teoría Tema 3
Realización informe previo práctica 2
Tema 3.2 Práctica 2
Duración
Lugar
Tema 3.2 Práctica 2
Metodología Aprendizaje basado en problemas
Evaluación
Clase expositiva
‐
Formativa
Laboratorio
Clase expositiva
‐
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
Estudio individual
‐
3 h
Sala de estudio
Aprendizaje cooperativo
Formativa y sumativa
Actividad presencial Diseño de convertidor Flyback en modo discontinuo Ejemplo de diseño de convertidor Flyback Diseño asistido por ordenador de convertidores DC/DC aislados
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
3 h
Laboratorio
Actividad no presencial Revisión Teoría Tema 3 y realización de ejercicios propuestos Tema 3 Revisión información de catálogos ESR en diseño práctica 2
Duración
Lugar
3 h
Aprendizaje basado Formativa en problemas Prácticas de Formativa y laboratorio sumativa
Metodología Evaluación Estudio individual Formativa y Aprendizaje basado sumativa en problemas Aprendizaje Sala de estudio Formativa cooperativo
Semana 7
Tema 3.2
Aprendizaje basado Formativa y en problemas sumativa
3h
Semana 6
Tema 3.2
Evaluación
Semana 5
Metodología
Actividad presencial Convertidor Forward. Diseño en modo continuo. Ejemplo de diseño de convertidor Forward Diseño asistido por ordenador de convertidores DC/DC aislados
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
3 h
Laboratorio
Actividad no presencial Estudio contenidos teóricos Tema 3
Duración
Lugar
3 h
Sala de estudio
Realización ejercicios Tema 3
Aprendizaje basado Formativa en problemas Prácticas de Formativa y laboratorio sumativa Metodología
Evaluación
Estudio individual
‐
Aprendizaje basado en problemas
Formativa
9
Semana 8
Práctica 2
Actividad presencial Revisión formativa actividades entregables Diseño asistido por ordenador de convertidores DC/DC aislados Actividad no presencial
Duración
Lugar
3 h
Laboratorio
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
3 h
Sala de estudio
Estudio individual
‐
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
Realización de prácticas
Formativa y sumativa
Metodología Aprendizaje cooperativo
Evaluación Formativa y sumativa
Metodología Aprendizaje orientado a proyectos
Evaluación
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
Realización de prácticas
Formativa y sumativa
Metodología Aprendizaje basado en problemas
Evaluación
Aprendizaje cooperativo
Formativa y sumativa
Revisión Teoría Tema 3 y realización de ejercicios
Semana 9 Actividad presencial Tema 3.2
Topologías simétricas.
Práctica 2
Diseño asistido por ordenador de convertidores DC/DC aislados
Semana 10
Actividad no presencial
Duración
Lugar
3 h
Laboratorio
Duración
Lugar
3 h
Sala de estudio
Realización memoria práctica 2
SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE
Actividad no presencial
Duración
Lugar
Realización Trabajo Final(Tema 5)
6 h
Sala de estudio
Práctica 3
‐
Semana 11
Tema 3.3
Metodología Evaluación Aprendizaje basado Formativa en problemas Realización de Formativa y prácticas sumativa
Actividad presencial Control PWM. Lazos de tensión y de corriente. Compensación Fuente conmutada Flyback
Actividad no presencial Revisión Teoría Tema 3 y realización de ejercicios Realización memoria práctica 3
Duración
Lugar
3 h
Laboratorio
Duración
Lugar
3 h
Sala de estudio
Formativa
Semana 12
Tema 4.1 Tema 4.2
Actividad presencial La red eléctrica Inversores de onda cuadrada
Tema 4.3
Ejemplo inversor onda cuadrada
Tema 4.3
Inversor PWM sinusoidal conmutación bipolar
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
Clase expositiva
‐
Aprendizaje basado en problemas
Formativa
3 h
Laboratorio
Clase expositiva
‐
10
Actividad no presencial
Realización trabajo final (Tema 5)
Revisión Teoría Tema 4 y realización de ejercicios
Duración 3 h
Lugar
Metodología Evaluación Aprendizaje orientado a ‐ proyectos Aprendizaje basado Formativa y Sala de estudio en problemas sumativa
Semana 13 Actividad presencial
Duración
Lugar
Metodología Aprendizaje basado en problemas
Evaluación
Tema 4.3
Ejemplo inversor sinusoidal
Tema 4.3
Conmutación unipolar
Clase expositiva
‐
Tema 4.4 Tema 4.5
Introducción a los S.A.I. Introducción a los inversores resonantes
Clase expositiva
‐
Práctica 4
Inversor PWM monofásico
3 h
Laboratorio
Realización de prácticas
Formativa y sumativa
Duración
Lugar
Actividad no presencial
Realización trabajo final (Tema 5)
Revisión Teoría Tema 4 y realización de ejercicios
3 h
Práctica 4
Actividad presencial Revisión formativa actividades entregables Inversor PWM monofásico
Actividad no presencial
Realización memoria Práctica 4
Realización Trabajo Final y preparación de la exposición (Tema 5)
Duración
Lugar
3 h
Laboratorio
Duración
Lugar
3 h
Sala de estudio
Metodología Aprendizaje cooperativo Aprendizaje orientado a proyectos
Evaluación
Metodología Aprendizaje orientado a proyectos
Evaluación
Sumativa ‐
LS
Actividad presencial
Duración
Lugar
Tema 5
Exposición trabajo final
3 h
Laboratorio
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
3 h
Sala de estudio
Estudio individual
‐
Semana 16
Metodología Evaluación Aprendizaje basado Formativa en problemas Realización de Formativa y prácticas sumativa
Semana 15
Metodología Evaluación Aprendizaje orientado a ‐ proyectos Aprendizaje basado Formativa y Sala de estudio en problemas sumativa
Semana 14
Formativa
Actividad no presencial Preparación examen (itinerario final) SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Actividad no presencial Preparación examen (itinerario final)
Sumativa
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
6 h
Sala de estudio
Estudio individual
‐
11
Semana 17
SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Actividad no presencial Preparación examen (itinerario final)
Semana 18
Examen Final
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
6 h
Sala de estudio
Estudio individual
‐
SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Actividad no presencial Preparación examen (itinerario final)
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
1 h
Sala de estudio
Estudio individual
‐
Actividad presencial
Duración
Metodología
Evaluación
Examen Final (itinerario ev. Final)
5 h
Lugar Aula de examen y laboratorio
Evaluación
Sumativa
Semana 19
SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Actividad no presencial Preparación examen final conv. extraordinaria
Semana 20
Prueba evaluación final conv. extraordinaria
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
6 h
Sala de estudio
Estudio individual
‐
SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Actividad no presencial Preparación examen final conv. extraordinaria
Duración
Lugar
Metodología
Evaluación
1 h
Sala de estudio
Estudio individual
‐
5 h
Aula de examen y aula de laboratorio
Evaluación
Sumativa
12
Líneas Metodológicas
La secuencia de contenidos se desarrolla empleando las sesiones presenciales posibilitando el avance en cada tema de los contenidos teórico/prácticos previo a abordar las sesiones de actividad de laboratorio. Se requiere la utilización de un aula mixta teoría/laboratorio donde desarrollar los contenidos con orientación a diseño y elevado nivel de consecución de las competencias a alcanzar. En las actividades presenciales se utilizan las siguientes metodologías: Clase expositiva Aprendizaje basado en problemas Aprendizaje orientado a proyectos Realización de prácticas Actividades de evaluación En las actividades no presenciales se emplean las metodologías siguientes: Estudio individual Aprendizaje basado en problemas Aprendizaje cooperativo Aprendizaje orientado a proyectos El trabajo no presencial se realizará individualmente o en pareja, fomentando en este último caso la discusión de opciones de diseño, la toma de decisiones críticas y el razonamiento sobre supuestos prácticos, tanto para abordar con éxito las actividades de diseño de laboratorio como para la realización del trabajo que desarrollará contenidos del Tema 5.
Recursos de enseñanza‐aprendizaje
El aula mixta teoría/laboratorio contará con mobiliario para trabajo cooperativo y de laboratorio. El aula dispondrá de una línea de alimentación aislada de tierra por motivos de seguridad eléctrica. Material bibliográfico: Moodle: Transparencias de la asignatura, enunciados de las prácticas, información técnica y enlaces a web de fabricantes de C.I. Diseño de bobinas y transformadores con núcleo de ferrita. Antonio Pérez Ballaltas, Manuel Vázquez Rodríguez. Fuentes de alimentación conmutadas. Antonio Pérez Ballaltas, Manuel Vázquez Rodríguez. POWER ELECTRONICS: A FIRST COURSE. Ned Mohan. Editorial: John Wiley. 2012. POWER ELECTRONICS: CONVERTERS, APPLICATIONS AND DESIGN. (Third Edition). Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins. Editorial: John Wiley. 2003. ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Daniel W. Hart. Editorial: Prentice‐Hall. 2001. 13
SOLID‐STATE POWER CONVERSION HANDBOOK. Ralph E. Tarter. Editorial: Wiley Interscience. 1993. ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª edición). M. H. Rashid. Editorial: Prentice‐Hall. 2004.
Equipamiento: Cañón proyector Pizarra Mobiliario adaptado aula mixta teoría/laboratorio Puestos de trabajo de laboratorio dotados de: o Ordenador personal (SO Windows) con conexión a Internet. Impresora en red o Licencias OrCAD‐PSpice o Instrumentos de laboratorio: Fuente de alimentación de potencia, Fuente de alimentación simétrica, Multímetro, Generador de funciones, Osciloscopio digital de 4 canales que permita realizar medidas en las bandas de frecuencia de conmutación y equipado con sondas diferenciales de tensión y sondas de corriente. o Placas de entrenamiento didácticas
Evaluación
De acuerdo con la Normativa Reguladora de los Sistemas de Evaluación de la Universidad Politécnica de Madrid para los Títulos de Grado con Planes de Estudio adaptados al R.D. 1393/2007, el alumno podrá elegir entre dos sistemas de evaluación excluyentes en la convocatoria ordinaria: Sistema mediante evaluación continua.
Sistema de evaluación mediante sólo prueba final: los alumnos que elijan esta modalidad deberán presentar, antes de la tercera semana lectiva, una solicitud por escrito al coordinador de la asignatura indicando la elección de este sistema de evaluación. Así no se realizará ninguna prueba de evaluación continua y únicamente se realizará evaluación final.
ITINERARIO DE EVALUACIÓN CONTINUA Todas las notas que se citan en este texto se ajustan al baremo comprendido entre 0 y 10 puntos. La asignatura se supera si la nota final (NF) es mayor o igual a 5 puntos. La nota de la asignatura se obtiene a partir de actividades distribuidas a lo largo del curso: Ejercicios entregables: Evaluación formativa y sumativa mediante la realización de ejercicios entregables. 14
Diseños y prácticas de laboratorio (asistencia obligatoria1): Evaluación formativa de los informes previos. Evaluación formativa y sumativa de la actuación en el aula, de la capacidad de reflexión del alumno en los procesos de diseño y de la memoria final de cada práctica o diseño.
Trabajo escrito correspondiente con el tema 5 y exposición pública (asistencia obligatoria1) del mismo.
La Nota Final (NF) de la asignatura se obtiene según: 0,1 ∙
0,4 ∙
0,5 ∙
Siendo la nota media de los ejercicios entregables, la nota media de los diseños y de las prácticas de laboratorio y NTf la calificación del trabajo final y de la prueba de exposición pública del mismo. La acumulación de 2 faltas de asistencia sin justificar a las actividades que exigen asistencia obligatoria supondrá la renuncia al itinerario de evaluación continua y la calificación de No Presentado en la convocatoria ordinaria. EVALUACIÓN MEDIANTE SÓLO PRUEBA FINAL Se realizarán dos pruebas finales de forma consecutiva, si el número de alumnos lo permite, el día asignado en el Plan Anual Docente. En caso contrario, con suficiente antelación, se publicará un calendario en el tablón de la asignatura y Moodle con los alumnos convocados en cada turno para la realización de la segunda prueba final. La primera prueba consistirá en la realización de un primer examen final escrito (EF1), de tres horas de duración, dónde se cubrirán indicadores de evaluación correspondientes a los resultados de aprendizaje de los temas de la asignatura. La segunda prueba consistirá en la realización de un segundo examen final (EF2) escrito y práctico en el aula de laboratorio sobre los contenidos y habilidades desarrolladas en las prácticas de laboratorio, con una duración de dos horas. La nota final (NF) de la asignatura se calcula a partir de las notas (entre 0 y 10 puntos) de cada examen final del siguiente modo: 0,6 ∙ 1 0,4 ∙ 2 La asignatura se superará con una nota final (NF) mayor o igual a 5 puntos sobre 10. EVALUACIÓN EN EL PERÍODO EXTRAORDINARIO La evaluación en la convocatoria extraordinaria se realizará mediante el procedimiento descrito en el apartado anterior: ”Evaluación mediante sólo prueba final”. 1
Título III, Capítulo I, Artículo 21.A.1: Normativa reguladora UPM (Aprobada Consejo de Gobierno 22/7/2010)
15