CN101171889A - 通用的线电压调光方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种通用的线电压调光方法和系统,具有用于电子镇流器的控制电路,包括:工作时间转换器(50),其响应于检测到的相控电源信号(52)产生工作时间信号(54);和微处理器(56),其响应于该工作时间信号,产生调光控制信号(58)。一种用于电子镇流器的灯控制方法,包括检测相控电源,为检测到的相控电源确定工作时间,并且根据该工作时间控制灯调光。
Description
本发明一般涉及灯的调光(dimming)控制,特别是涉及一种采用通用的线电压对灯进行调光(dimming)的方法和系统。
用于荧光灯的电子镇流器变得越来越复杂且被广泛地用于多种应用中。提出问题的一种应用就是可调光电子镇流器。现在的调光开关,比如三端双向可控硅开关元件调光器(triac dimmer),产生的相控电源的工作时间(on-time),该时间指的是经过削波的相控电源处于非零值的时间。线输入电源在正和负之间短暂地与零电源交叉,但是,相控电源保持零电源较长时间用以将电源限定在负载上。三端双向可控硅开关元件调光器适用于阻抗性负载,比如白炽灯,但是对于非线性负载就比较不适用或完全不适用,比如用于荧光灯的镇流器。非线性负载可能发出嗡嗡声、蜂鸣、发热或者烧坏。
可调光电子镇流器(dimmable electronic ballast)已经被设计成与三端双向可控硅开关元件调光器一起工作,但是这样的可调光电子镇流器仅限于采用一种预定的线输入电压,举例来说,被设计工作在120伏特的三端双向可控硅开关元件调光器的可调光电子镇流器不能采用277伏特的线输入电压。调光控制电压信号是在可调光电子镇流器内部产生的,因此,调光控制电压信号的电压受到可调光电子镇流器的线输入电压的影响。尝试对目前的用于三端双向可控硅开关元件调光器的可调光电子镇流器应用一个不同于预定线输入电压的电压会产生有关功率因子(power factor)、总的谐波失真和稳定性等问题。不同的预定线输入电压需要不同的可调光电子镇流器的条件导致了在制造和储存用于不同的线输入电压的不同可调光电子镇流器方面的额外代价。
这就需要提供一种克服上述缺陷的通用的线电压调光方法和系统。
本发明的一方面提供一种用于电子镇流器的控制电路,包括工作时间转换器(on-time converter),响应于检测到的相控电源信号(phase-controllable powersignal)产生工作时间信号(on-time signal);和微处理器,响应于该工作时间信号产生调光控制信号(dimming control signal)。
本发明的另一方面提供一种用于电子镇流器的灯控制方法,包括:检测相控电源,为检测到的相控电源确定工作时间(on-time),并且响应于该工作时间控制灯的调光。
本发明的另一方面提供一种灯控制系统,包括:用于检测相控电源的装置、用于为检测到的相控电源确定工作时间的装置,和用于根据该工作时间来控制灯调光的装置。
本发明的另一方面提供用于具有升压/电源因子控制器的电子镇流器的控制电路,包括线电压检测器,响应于检测到的相控电源信号产生线电压信号;微处理器,响应于该线电压信号并产生电容选择器信号;电容电路,响应于该电容选择器信号调节升压/电源因子控制器的电容。
本发明的另一方面提供一种用于电子镇流器的灯控制方法,包括检测相控电源,为检测到的相控电源确定线电压,响应于线电压调节升压/电源因子控制器的电容。
本发明的另一方面提供一种灯控制系统,包括:用于检测相控电源的装置、用于为检测到的相控电源确定线电压的装置,和用于根据该线电压调节升压/电源因子控制器的电容的装置。
通过下面结合附图对当前优选实施例的详细描述,本发明的前述特征和其它特征以及优势将变得更加明显。这些详细的描述和附图仅仅是为了阐明本发明,而不是为了限制本发明,本发明的范围由附加的权利要求和有关的内容来定义。
附图1是具有根据本发明所制造的通用调光电子镇流器的照明系统的框图。
附图2和3分别是根据本发明所制造的通用调光电子镇流器的调光电路的示意图和电压轨迹图。
附图4是根据本发明所制造的通用调光电子镇流器的调光、电容选择和稳定性电路的示意图。
附图1是具有根据本发明所制造的通用调光电子镇流器的照明系统的框图。所述电子镇流器适于调光器提供的任何相控电源,用以产生所期望的灯调光。灯的电源的波形不会受到线电压的影响。工作时间转换器将相控电源转换为工作时间信号,该工作时间信号被转换为调光控制信号。线电压检测器检测线电压并且通过电容选择电路调节升压电路(boost circuit)的电容,和/或通过稳定性电路(stability circuit)调节功率因子控制器(power factor controller)内部乘法器以保持电子镇流器操作的稳定性。本领域技术人员应该知道,相控电源可以通过任何相控装置来提供,比如三端双向可控硅开关元件调光器或其他它类似的器件。
电子镇流器24在EMI滤波器22处接收来自调光器18的相控电源(phasecontrolled power)20,并向灯44提供来自谐振回路40的灯电源(lamp power)42。调光器(dimmer)18接收主电源16,比如120伏特或277伏特的线电源,并且控制主电源16的相位以降低提供给电子镇流器24的电源并且对灯44进行调光。示例性的电子镇流器24包括EMI滤波器22,其可操作地连接于调光器18和DC整流器28,DC整流器28用于为升压(boost)/电源因子控制器(PFC,powerfactor controller)32提供整流过的电源30。升压/PFC32为开关电路(switchingcircuit)36提供DC总线电源34,该开关电路36为谐振回路40提供转换过的电源38。该开关电路36响应于来自开关控制器48的开关控制信号46。谐振回路40为灯44提供灯电源42。
电子镇流器24可以包含具有工作时间转换器(on-time converter)50的调光电路,该工作时间转换器50接收检测到的相控电源信号52并且产生工作时间信号(on-time signal)54。调光电路中的微处理器56响应于该工作时间信号54产生调光控制信号58,该调光控制信号58被提供给开关控制器48。该调光电路检测相控电源,为检测到的相控电源计算工作时间,并根据该工作时间控制灯的调光。如在此所定义的,工作时间(on-time)是检测到的相控电源信号52的每一个正或负电压脉冲为非零时的持续时间。本领域技术人员知道,在其他可选的实施例中,微处理器56可以是传统的电路,而不是集成的可编程微处理器电路;根据需要,微处理器56的功能可以通过传统电路,而不是可编程微处理器来实现。微处理器56从DC电源72接收DC能量70。DC电源72可以从电子镇流器24中任何合适的位置获得电源,比如DC总线。
电子镇流器24可以包括具有线电压检测器60的电容选择电路(capacitanceselection circuit),该线电压检测器60接收检测到的相控电源信号52并且产生线电压信号62。微处理器56响应于该线电压信号62产生一个电容选择器信号64,并提供给电容电路66。电容电路66可操作地连接到升压/PFC 32以调节它的电容。电容选择电路执行一种灯控制方法,检测相控电源,为检测到的相控电源确定线路,并根据所述线电压调节升压/PFC的电容。
电子镇流器24可以包括具有线电压检测器60的稳定性电路,该线电压检测器60接收相控电源信号52并产生线电压信号62。微处理器56响应于所述线电压信号62,产生内部乘法器信号68,其被提供给升压/PFC(boost/power factorcontroller)32。稳定性电路执行一种灯控制方法,检测相控电源,为检测到的相控电源确定线电压,并根据所述线电压选择升压/PFC内部乘法器。
附图2是根据本发明所制造的通用线电压调光电路的调光电路示意图,其中,相似的器件采用与附图1中相同的附图标记。附图3图示了附图2中调光电路的电压轨迹图。如附图2所示,调光电路(dimming circuit)100包括工作时间转换器50和微处理器56。工作时间转换器50接收检测到的相控电源信号52并产生工作时间信号54。微处理器56接收工作时间信号54并产生脉冲化的调光控制信号102,该调光控制信号通过滤波器104转换为平滑的调光控制信号58。
工作时间转换器50包括整流器D100,其可操作地连接于削波电路51;开关电路53,其通过一个隔离器(isolator)U101可操作地连接于该削波电路51。削波电路51包括分压电阻R101和R102、连接在公共端和电阻R101与R102的连接点之间的稳压二极管(zener diode)D102、和任意的二极管D101。当通过隔离器U101的电流只在一个方向流过时可以省略二极管D101,也就是隔离器U101接收DC输入。该工作时间转换器50还包括:隔离器U101的隔离路径二极管侧(isolation path diode side),其可操作地与二极管D101串联连接,以及隔离器U101的隔离路径光电晶体管侧(isolation path transistor side),其可操作地连接到公共端和开关晶体管Q101的基极之间。本案例中的隔离器U101是一个AC检测光电晶体管输出光耦合器(optocoupler),尽管DC检测光电晶体管输出光耦合器也可以用在本实施例中,因为通过隔离器U101的电流只流经一个方向。隔离器U101可以是任何合适的隔离器,比如光耦合器、隔离变压器(isolation transformer)等等。开关电路53包括串联连接在Vdd和公共端之间的电阻R103和电容C101、具有与电容C101并联连接的集电极-发射极路径的开关晶体管Q101、具有连接在开关晶体管Q101的基极和公共端之间的隔离路径光电晶体管侧的隔离器U101。开关晶体管Q101的集电极连接到微处理器56的PA0脚,以向微处理器56提供工作时间信号54。
操作中,工作时间转换器50接收相控电源信号52,其如附图3中轨迹A所示。相控电源信号52是相位控制的,也就是说,电压在周期中的一部分保持在零电压以降低灯的电源并对灯进行调光。整流器D100对相控电源信号52进行整流,整流过的相控电源如附图3中的轨迹B所示,相应于位于整流器D100和电阻R101之间的整流过的相控电源。在另一个可选的实施例中,整流器可以是一个全波整流器,而不是半波整流器D100。削波电路(chipping circuit)经由二极管D101来传导,直到在电阻R101和R102连结点处的电压超过稳压二极管D102的反向击穿电压,然后以便稳压二极管D102正常传导以及限制电阻R101和R102连结点处的电压。附图3中的轨迹C示出了电阻R101和R102连结点处的工作时间脉冲的电压。工作时间是指每一个工作时间脉冲的上升沿和下降沿之间的时间。该工作时间脉冲转换通过隔离器U101的二极管的电流,这将交替转换隔离器U101的光电晶体管和开关晶体管Q101的状态。开关晶体管(switching transistor)Q101转变从电阻R103穿过电容C101的电压以在电阻R103和电容C101之间的连结点处产生工作时间信号54。
微处理器56根据储存在微处理器56中指令和数据,分析所述工作时间的工作时间信号54并产生脉冲化的调光控制信号102。微处理器56检测何时工作时间信号54超过某预定的电平,比如2.5伏特时,来开始计时该工作时间,以及当工作时间信号54降到低于某预定的电平时结束计时该工作时间。在另一个可选的实施例中,所述工作间是根据工作时间信号54在实时脉冲上升沿和下降沿的斜率变化来确定。本领域技术人员知道,所述工作时间信号54可以根据期望被倒转,以至于在工作时间信号54在超过某预定电平时开始和结束对工作时间的计时,而不必超过或下降到低于某预定电平。
在微处理器56中,工作时间经过计算或查找表后被转换为脉冲化的调光控制信号102。在一个实施例中,为来自工作时间信号54中的单一的工作时间脉冲确定工作时间。在一个可选的实施例中,所述工作时间是移动平均工作时间,其是对于预定数量的来自工作时间信号54的工作时间脉冲确定的,比如2、3、4、8或16个工作时间脉冲。在另一个可选的实施例中,所述工作时间是一个加权时间平均值,比如给更近的工作时间脉冲分配更大的统计权重而求得的平均值。在一个实施例中,从工作时间到脉冲化的调光处理信号102的转换是一个线性函数。在另一个可选的实施例中,从工作时间到脉冲化的调光处理信号102的转换是一个非线性函数。举例来说,所述转换可以是对数函数,以考虑这样的事实:对于被调光的光,人眼能察觉到比测光表能够记录的实际的亮度级更高的亮度级。在一个实施例中,转换的跨度(span)和偏移(offset)可以选择,例如大约8.3毫秒的工作时间转换成一个完整的脉冲化调光控制信号102,大约4毫秒的工作时间转换成中等的脉冲化的调光控制信号102,大约2.8毫秒的工作时间转换成最小脉冲化调光控制信号102。
微处理器56产生经过脉冲化的调光控制信号102,其通过滤波器104,被转换为平滑的(smoothed)调光控制信号58。滤波器104包括电阻R104和电容C102。对于期望的应用,可以选择平滑的调光控制信号的跨度和偏移,比如大约0.3到2.8伏特分别对应最小的光输出(最大调光)和完整的光输出。在另一个可选的实施例中,微处理器56产生一个模拟信号作为调光控制信号58,且滤波器54可以被省略。开关控制器中的控制微处理器接收平滑的调光控制信号58,并给开关电路提供开关控制信号来设置期望的灯调光级别。在另一个可选的实施例中,微处理器56产生脉冲化的信号作为调光控制信号58,且开关控制器中的控制微处理器响应于该脉冲化的信号。
附图4是根据本发明所制造的通用调光电子镇流器的调光、电容选择和稳定性电路的示意图,其中,相似的器件采用与附图1中相同的附图标记。调光电路将检测到的相控电源信号转换为调光控制信号,电容选择电路检测线电压并在升压/PFC转换(switch)电容,所述稳定性电路检测线电压并将该信息提供给升压/PFC。DC电源72接收DC总线电源380并根据需要给微处理器电路、电容选择电路、稳定性电路以及其它器件提供电源。DC电源72包括15V电源382和5V电源384。
调光电路包括工作时间转换器(on-time converter)50和微处理器56。该工作时间转换器50接收检测到的相控电源信号52并产生工作时间信号54。微处理器56接收工作时间信号54并产生调光控制信号58。工作时间转换器50包括定标定标电路(scaling circuit)402和比较器404。定标定标电路402定标并平滑检测到的相控电源信号52,在比较器404将其与一个预设电压进行比较,以产生调光控制信号58。处理调光控制信号58以产生开关控制信号46已经结合附图2和3进行了论述。
电容选择电路包括线电压检测器60、微处理器56和电容电路66。线电压检测器60检测供给调光器的主电源的电压。在这个例子中,线电压检测器60是线形峰值检测器,其提供一个与检测到的相控电源信号52的峰值电压成比例的线电压信号62。微处理器56检测线电压信号62的电平,并确定主电源是高电压,比如277伏特,还是低电压,比如120伏特。在这个例子中,微处理器56产生翻转的电容选择器信号406,其在反向器408被反向以产生电容选择器信号64。当主电源是高电压时,微处理器56将翻转的电容选择器信号406设定到第一电平,当主电源不是高电压时,微处理器56将倒转的电容选择器信号406设定到第二电平。当电容选择器信号64提示主电源是高电压时,电容电路66中的晶体管Q4X关闭,且没有额外的电容被加到该升压/PFC。当电容选择器信号64提示主电源不是高电压时,电容电路66中的晶体管Q4X导通,且额外的电容C4X被加到所述升压/PFC。减少电容增加了主电源为高电压时的稳定性。采用不同的电容值也改善了采用不同主电源电压时的电源因子和总的谐波失真。
稳定性电路包括线电压检测器60和微处理器56。如上面在电容选择电路中所述,线电压检测器60接收检测到的相控电源信号52并产生微处理器56的线电压信号62。微处理器56检测线电压信号62的电平,并确定主电源是高电压,比如277伏特,还是低电压,比如120伏特。当主电源是高电压时,微处理器56将内部乘法器信号(internal multiplier signal)68设定到第一电平,当主电源不是高电压时,微处理器56将内部乘法器信号68设定到第二电平。所述内部乘法器信号68被提供给升压/PFC(boost/power factor controller),比如升压/PFC中一个PFC集成电路的MULTIN管脚。当内部乘法器信号68提示主电源是高电压时,PFC集成电路的MULTIN管脚保持在第一电平。当内部乘法器信号68提示主电源不是高电压时,PFC集成电路的MULTIN管脚保持在第二电平。举例来说,在某一实施例中第一电平是低电平,第二电平是高电平。本领域技术人员知道,给MULTIN管脚电压输送小的电流来提高PFC集成电路的稳定性的影响取决于特定的电子镇流器设计,因此,对于高电压MULTIN管脚保持高电平还是低电平取决于特定的电子镇流器设计。
尽管本申请所披露的发明的实施例将被优先考虑,但是在不超出本发明的范围内,可以对本发明作出各种改变和修改。精通本领域的人员知道,附图1、2和4所描述的实施例只是示例性的,需要时,替代电路可以被用于特定应用中。本发明的保护范围由所附的权利要求确定,不脱离本发明意图和等效范围所作的改进都被包含在本发明的范围内。
Claims (42)
1.一种用于电子镇流器的控制电路,包括:工作时间转换器(50),该工作时间转换器(50)响应于检测到的相控电源信号(52)而产生工作时间信号(54);和微处理器(56),该微处理器56响应于所述工作时间信号(54)并产生调光控制信号(58)。
2.如权利要求1所述电路,其中,所述工作时间转换器(50)包括:整流器(D100),其可操作的连接用于接收检测到的相控电源信号(52);削波电路(51),可操作的连接到该整流器(D100);和开关电路(53),通过隔离器(U101)可操作的连接到该削波电路(51),所述开关电路(53)被可操作的连接用于发送所述工作时间信号(54)。
3.如权利要求2所述电路,其中,所述隔离器(U101)选自由多个光耦合器和多个隔离变压器组成的集合。
4.如权利要求2所述电路,其中,所述削波电路(51)包括:具有相串联的第一电阻器(R101)和第二电阻器(R102)的分压器;该隔离器(U101)的第一隔离路径,所述第一隔离路径与第二电阻器(R102)串联连接;和稳压二极管(D102);其中所述稳压二极管(D102)与第二电阻器(R102)和该第一隔离路径并联连接。
5.如权利要求2所述电路,其中,所述整流器(D100)是半波整流器。
6.如权利要求1所述电路,进一步包括滤波器(104),其可操作的连接用于接收来自微处理器(56)的脉冲化调光控制信号(102),并且产生调光控制信号(58)。
7.如权利要求1所述电路,其中,所述工作时间转换器(50)包括:定标电路(402),可操作的连接用于接收检测到的相控电源信号(52);和比较器(404),可操作的连接到所述定标电路(402),所述比较器(404)传送所述工作时间信号(54)。
8.如权利要求1所述电路,其中,所述调光控制信号(58)是所述工作时间信号(54)的线性函数。
9.如权利要求1所述电路,其中,所述调光控制信号(58)是所述工作时间信号(54)的函数,该函数选自由非线性函数和对数函数组成的集合。
10.如权利要求1所述电路,进一步包括:线电压检测器(60),其响应于检测到的相控电源信号(52)产生线电压信号(62);和电容电路(66),该电容电路(66)响应于电容选择器信号(64)来调节升压/电源因子控制器(32)的电容;其中,微处理器(56)响应于线电压信号(62)并产生所述电容选择器信号(64)。
11.如权利要求10所述电路,其中,所述微处理器(56)响应于线电压信号(62)产生内部乘法器信号(68),用以调节升压/电源因子控制器(32)的内部乘法器。
12.一种用于电子镇流器的灯控制方法,包括:检测相控电源;为所述检测到的相控电源确定工作时间;并根据所述工作时间控制灯调光。
13.如权利要求12所述方法,其中,所述确定步骤包括:对检测到的相控电源进行整流以产生经过整流的相控电源;对经过整流的相控电源进行削波以产生工作时间脉冲;测量所述工作时间脉冲的持续时间以确定所述工作时间。
14.如权利要求13所述方法,其中,所述测量步骤包括测量何时所述工作时间脉冲超过预定电平。
15.如权利要求13所述方法,其中,所述测量步骤包括测量工作时间脉冲的上升沿和下降沿之间的持续时间。
16.如权利要求12所述方法,其中,所述确定步骤包括:对相控电源进行整流以产生经过整流的相控电源;对经过整流的相控电源进行削波以产生一系列工作时间脉冲;测量这一系列工作时间脉冲中每一个的持续时间;并对所述持续时间执行求平均以确定所述工作时间。
17.如权利要求16所述方法,其中,所述求平均步骤选自由动态求平均和时间加权求平均组成的集合。
18.如权利要求12所述方法,其中,所述确定步骤包括:对所述相控电源定标以产生定标的相控电源;并将定标的相控电源与预定电平比较以确定所述工作时间。
19.如权利要求12所述方法,其中,所述控制步骤包括控制灯调光以考虑人对光亮度级的感受。
20.如权利要求12所述方法,进一步包括:为检测到的相控电源确定线电压;并响应于所述线电压调节升压/电源因子控制器的电容。
21.如权利要求20所述方法,进一步包括:响应于所述线电压而选择升压/电源因子控制器内部乘法器。
22.一种灯控制系统,包括:用于检测相控电源的装置;用于为检测到的相控电源确定工作时间的装置:和用于根据该工作时间控制灯调光的装置。
23.如权利要求22所述系统,其中,所述用于确定工作时间的装置包括:用于对检测到的相控电源进行整流以产生经过整流的相控电源的装置;用于对经过整流的相控电源进行削波以产生工作时间脉冲的装置;用于测量工作时间脉冲的持续时间以确定所述工作时间的装置。
24.如权利要求23所述系统,其中,所述测量的装置包括测量何时工作时间脉冲超过预定电平的装置。
25.如权利要求22所述系统,其中,所述用于确定工作时间的装置包括:用于对检测到的相控电源进行整流以产生经过整流的相控电源的装置;用于对经过整流的相控电源进行削波以产生一系列工作时间脉冲的装置;用于测量所述一系列工作时间脉冲中每一个的持续时间的装置;和用于对所述持续时间求平均以确定工作时间的装置。
26.如权利要求25所述系统,其中,所述用于求平均的装置包括用于动态求平均的装置。
27.如权利要求22所述系统,其中,所述用于确定工作时间的装置包括:用于定标所述相控电源以产生经过定标的相控电源的装置;和用于将经过定标的相控电源与预设的电平进行比较以确定工作时间的装置。
28.如权利要求22所述系统,其中,所述用于控制灯调光的装置包括用于控制灯调光以考虑人对光亮度级的感受的装置。
29.如权利要求22所述系统,进一步包括:用于为检测到的相控电源确定线电压的装置;和用于根据该线电压调节增压/电源因子控制器电容的装置。
30.如权利要求29所述系统,进一步包括:用于根据线电压选择升压/电源因子控制器内部乘法器的装置。
31.一种用于具有升压/电源因子控制器的电子镇流器的控制电路,包括:线电压检测器(60),该线电压检测器(60)响应于检测到的相控电源信号(52)产生线电压信号(62);微处理器(56),该微处理器(56)响应于所述线电压信号(62)产生电容选择器信号(64);和电容电路(66),该电容电路(66)响应于所述电容选择器信号(64)来调节升压/电源因子控制器(32)的电容。
32.如权利要求31所述电路,其中,所述线电压检测器(60)是线形峰值检测器。
33.如权利要求31所述电路,其中,微处理器(56)进一步响应于所述线电压信号(62)产生内部乘法器信号(68),以调节升压/电源因子控制器(32)中的内部乘法器。
34.如权利要求31所述电路,进一步包括:工作时间转换器(50),该工作时间转换器(50)响应于检测到的相控电源信号(52)而产生工作时间信号(54);其中,所述微处理器(56)响应于所述工作时间信号(54)而产生调光控制信号(58)。
35.一种用于电子镇流器的灯控制方法,包括:检测相控电源;为检测到的相控电源确定线电压;并根据所述线电压调节升压/电源因子控制器的电容。
36.如权利要求35所述方法,其中,所述确定线电压的步骤包括根据检测到的相控电源的峰值电压确定线电压。
37.如权利要求35所述方法,进一步包括:响应于所述线电压,选择升压/电源因子控制器的内部乘法器。
38.如权利要求35所述方法,进一步包括:为检测到的相控电源确定工作时间;和根据该工作时间控制灯调光。
39.一种用于电子镇流器的灯控制系统,包括:用于检测相控电源的装置;用于为检测到的相控电源确定线电压的装置;和用于根据所述线电压调节升压/电源因子控制器电容的装置。
40.如权利要求39所述系统,其中,所述用于确定线电压的装置包括:根据检测到的相控电源的峰值电压确定线电压的装置。
41.如权利要求39所述系统,进一步包括:用于根据所述线电压选择升压/电源因子控制器内部乘法器的装置。
42.如权利要求39所述系统,进一步包括:用于为检测到的相控电源确定工作时间的装置;和用于根据该工作时间控制灯调光的装置。
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