CN101401489A - 用于驱动灯的逆变器的关断时间调节器 - Google Patents

用于驱动灯的逆变器的关断时间调节器 Download PDF

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CN101401489A CNA2007800089530A CN200780008953A CN101401489A CN 101401489 A CN101401489 A CN 101401489A CN A2007800089530 A CNA2007800089530 A CN A2007800089530A CN 200780008953 A CN200780008953 A CN 200780008953A CN 101401489 A CN101401489 A CN 101401489A
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Abstract

本发明涉及一种用于驱动灯(L)的电子镇流器,该电子镇流器具有E类转换器(T1,L1)。在灯(L)被连接的情况下,E类转换器(T1,L1)的输出电流在关断E类转换器(T1,L1)的开关元件(T1)之后具有相反极性的第一和第二半波。该电子镇流器具有用于测量输出电流的测量装置和用于设置开关元件的接通时刻的调节装置。在此,测量装置设计为确定第一半波的第一输出电流值和第二半波的第二输出电流值,其中将基于这两个输出电流值的偏差的调节量输送给用于设置接通时刻的调节装置。

Description

用于驱动灯的逆变器的关断时间调节器
技术领域
本发明涉及一种用于驱动灯的电子镇流器,该电子镇流器具有E类转换器(Klasse-E-Konverter)。
现有技术
用于驱动灯的电子镇流器以多种实施例而公开。存在用于分别具有不同额定功率或者工作方式的不同灯类型的不同的实施形式。所连接的用于驱动的灯例如可以是放电灯,尤其可以是介质阻挡放电灯。
电子镇流器生成对驱动所连接的灯所需的灯电流。对此,电子镇流器具有转换器。原则上,转换器将电子镇流器的功率供给(例如电网电源)转换成用于驱动所连接的灯的功率。在此,转换器的输出电流和输出电压与相应要连接的灯类型相匹配。
例如,用于驱动介质阻挡放电灯(所谓DBD灯)的E类转换器将直流电压供给转换成脉冲方式的功率供给。通常在此首先由整流器从电网电源中产生用于驱动E类转换器的直流电压。
E类转换器具有存储线圈和开关元件。如果开关元件接通,则随着时间增加的直流电流流经存储线圈。如果开关元件断开,则由于突然的电流改变而在存储线圈上产生高的感应电压。存储在存储线圈中的能量被耦合输出并且于是能够输送给所连接的灯。随后或者还在存储线圈上的电压脉冲期间,E类转换器的开关元件又被接通并且存储线圈又开始存储能量。
DBD灯是基本上电容性的负载。E类转换器所耦合输出的输出电流对介质阻挡电极充电。由于在介质阻挡电极之间存在的高电压而点燃第一放电。由于灯的内部反向极化(Gegenpolarisation)并且因为灯负载回路相应地回振,所以可以进行重新的点燃、再点燃。对此,参阅相同申请人的WO 00/13204。
如果DBD灯通过E类转换器来驱动,则E类转换器的输出电流可以具有两个带相反极性的半波,必要时伴随有放电灯介质的点燃和再点燃。
然而,本发明不仅针对用于DBD灯的电子镇流器,而且也针对用于其他灯类型的镇流器,其中这些灯类型可以以时间上间隔的功率脉冲驱动,更为确切地说,特别是针对用于如下的灯或者如下连接的灯的镇流器:在这些灯中如在介质阻挡放电灯中那样电容性特征占优势。
发明内容
本发明的任务是提供一种在其输出电流方面有利的具有E类转换器的电子镇流器。
该任务通过一种用于驱动灯的电子镇流器来解决,该电子镇流器具有用于为待连接的灯供给功率的E类转换器,该E类转换器具有开关元件,其中E类转换器的输出电流在被连接灯的情况下在开关元件关断之后具有相反极性的第一和第二半波,其特征在于,电子镇流器具有用于测量输出电流的测量装置和用于设置开关元件的接通时刻的调节装置,其中测量装置设计为,确定第一半波的第一输出电流值和第二半波的第二输出电流值,以及其中将基于这两个输出电流值的偏差的调节量输送给用于设置接通时刻的调节装置。
本发明的优选的扩展方案在从属权利要求中被说明并且在以下被进一步阐述。
如果E类转换器的开关元件关断,则在E类转换器的存储线圈上出现感应电压。如上面描述的那样,相应的功率例如可以通过次级线圈被耦合输出。在此,E类转换器的输出电流可以具有带相反极性的第一和第二半波。
本发明基于以下已公开的事实:E类转换器的开关元件的接通时刻会影响耦合输入到灯中的功率。
在DBD灯的情况下,优化过的接通时刻例如能够引起提高4%至7%的功率耦合输入。
E类转换器不仅能够以谐振方式工作而且能够以非谐振的方式工作。在谐振工作中在接通开关元件时,开关元件上的电压为0V。谐振工作中的接通时刻在时间上在出现于存储线圈上的电压脉冲之后。
在非谐振工作中,开关元件已在电压脉冲期间被接通。
发明人已发现,在灯已被连接的情况下,在非谐振工作中开关元件的接通时刻强烈地影响输出电流的曲线。例如,如果输出电流的第一半波具有正极性并且相应地输出电流的第二半波具有负极性,以及如果E类转换器的开关元件在输出电流的下降边沿时被接通,则改变了特别是第二半波的输出电流的峰值和曲线。
例如通过微控制器或者简单的时间环节预先给定相对于关断时刻具有固定时间间隔的接通时刻是有问题的,因为对于每个所连接的灯,输出电流曲线是不同的,并且甚至在相同的灯的工作期间也会变化。结构相同的灯也会由于制造公差而显现出不同的电容性负载。甚至所连接的灯的环境的改变也可以改变负载的有效电容。输出电流的时间曲线甚至会由于灯的触碰和相对于灯座的位置改变而改变。
本发明基于的思想是:在电压脉冲期间基于输出电流的时间曲线来设置接通时间。这是可能的,因为输出电流的时间曲线与接通时刻相关。
对此,根据本发明的电子镇流器具有用于测量输出电流的测量装置。在此,测量装置设计为,确定第一半波的第一输出电流值和第二半波的第二输出电流值。这例如可以是在两个半波的任一个内的间隔上的平均或者积分。两个半波分别具有峰值,该峰值也可以如下面进一步说明的那样是与第一半波和第二半波关联的输出电流值。原则上,输出电流的任意函数也是可能的,只要它们分别提供如下的输出电流值:该输出电流值对两个半波中的至少一个半波严格单调地随着接通时刻变化。例如可能的是,第一输出电流值关于接通时刻的变化是恒定的,然而与第二半波关联的输出电流值随着该接通时刻变化。
测量装置也可以两部分地实施,其中测量装置的第一部分确定了针对第一半波的输出电流值,而测量装置的第二部分确定了针对输出电流的第二半波的输出电流值。
此外,电子镇流器具有调节装置,该调节装置设置接通时刻。在此,将两个输出电流值的偏差作为调节量输送给调节装置。在最简单的情况下,这两个输出电流值的偏差对应于峰值绝对值的差。
在一种优选的情况下,该调节量例如可以对应于在E类转换器的多个开关循环上平均的峰值绝对值的差。
对此,在本发明的一种优选的实施形式中,测量装置具有两个峰值检测电路。这些峰值检测电路设计为:在这两个峰值检测电路的第一峰值检测电路中检测第一半波的峰值作为第一输出电流值,而在这两个峰值检测电路的第二峰值检测电路中检测第二半波的峰值作为第二输出电流值。借助峰值检测电路可以简单地实现大的信号。
优选地,调节装置所使用的额定值对应于第一峰值的绝对值与第二峰值的绝对值的差,所述差小于这两个峰值的较大峰值的40%。绝对值差以小于30%、小于20%、小于10%、小于5%和小于1%这样的顺序是越来越优选的。对于第一和第二峰值的大致相等的绝对值关系,特别多的功率被耦合输入到所连接的灯中。
在本发明的一种优选的实施形式中,测量装置设计为,以变压器的方式来确定E类转换器的输出电流。对此,可以将线圈引入灯的负载回路中,并且测量装置具有带测量电阻的为其次级的线圈。于是,在测量电阻上下降与负载回路中的电流成比例的电压。然而,也可以将电阻与E类转换器的存储线圈并联,使得在该电阻上下降与E类转换器的输出电流成比例的电压。该电阻的阻值应当足够高,以便将由于流经该电阻的电流引起的损耗保持较小。
优选地,测量装置设计为,在E类转换器的多个开关循环上将输出电流值之间的偏差进行平均。相应的电路装置可以以特别低的开销来实现。
在本发明的一种优选的实施形式中,例如在具有电容器和电阻的峰值检测电路中,由峰值检测电路以电压形式检测峰值。优选的是,峰值检测电路于是与由平均电容器和电阻构成的并联电路相连,使得在平均电容器上的电压表示关于E类电容器的过去的开关循环中两个峰值的绝对值之差的时间间隔加权的平均值。由于平均电容器与电阻并联,所以平均电容器可以通过该电阻随着时间被再充电。在这样的情况下,平均因此并非简单的算术平均,而是与较早的峰值的绝对值的差相比,较近的峰值的绝对值的差具有更大的权重(对于相应电路的工作方式参阅实施例)。
优选地,调节装置也包括用于切换开关元件的控制装置。该控制装置包括第一阈值元件,其中调节量被输送给该阈值元件的第一输入端,并且该阈值元件与开关元件相连,使得第一阈值元件可以切换开关元件。输送给第一输入端的调节量例如可以与在阈值元件内所实现的阈值相比较。但也可能的是,阈值通过阈值元件的另一输入端输送给该阈值元件。在后面以及在实施例中还将更为详细地介绍第一阈值元件的连接。
控制装置本身在没有调节的情况下可以设计为,该控制装置预先给定恒定的关断时间。由测量装置提供的调节量可以使控制装置偏离该恒定的关断时间。
在本发明的一种优选的实施形式中,调节装置具有电容器、第二阈值元件和电压源。在此,在第二阈值元件的输入端上存在与通过开关元件的电流成比例的信号。该信号譬如可以是与开关元件串联的测量电阻上的电压。第二阈值元件与电容器相连,使得在第二阈值元件的输入端上达到阈值时,电容器以第一意义转换(umgeladen),如放电。
优选的是,第一阈值元件具有第二输入端,并且电容器与第一阈值元件的两个输入端之一相连,使得对应于电容器的电荷状态的信号被输送给该输入端。如果电容器譬如通过电压线圈被充电,则该电容器可以与例如第一阈值元件的第二输入端相连,使得在该第二输入端上的电势随着电容器的充电增加而升高。
控制装置在此设计为使得开关元件基于电容器的第一转换而通过第一阈值元件被关断。此外,控制装置设计为使得电容器通过电压源以另外的第二意义转换,例如充电。最后,第一阈值元件基于电容器的第二转换又接通开关元件,使得如果输送给第一阈值元件的调节量未引起偏差,则总体上电容器的第二转换的转换时间确定关断时间。
调节量现在可以输送给第一阈值元件的两个输入端并且因此修改关断时间。例如,测量装置的输出信号(即调节量)可以加到参考电压上。在实施例中示出了测量装置与控制装置的相应连接。
在本发明的一种优选的实施形式中,阈值元件为比较器。
优选地,控制装置设计为,电容器通过第二阈值元件的输出端放电。这在电路技术上是特别简单的。
此外,用于驱动介质阻挡放电灯的电子镇流器是优选的应用领域。介质阻挡放电灯是如下的灯类型:该灯类型能够良好地通过E类转换器以脉冲方法来驱动并且为电容性负载。
本发明也涉及根据本发明的电子镇流器连同适于借助这种镇流器驱动的灯,即照明系统。
各特征的上面的描述和接下来的描述涉及电子镇流器和照明系统。此外,该描述也涉及对应于本发明的、用于借助具有E类转换器的电子镇流器来驱动灯的方法。即使没有再明确地详细提及,这一点也是适用的。
因此,本发明原则上也涉及一种用于借助电子镇流器驱动灯的方法,该电子镇流器具有用于为待连接的灯供给功率的E类转换器,该转换器具有开关元件,该方法具有如下步骤:在灯被连接的情况下借助E类转换器产生输出电流,其中该输出电流在开关元件关断之后具有相反极性的第一和第二半波,其特征在于,该方法具有另外的步骤:借助电子镇流器的测量装置测量输出电流,借助调节装置设置开关元件的接通时刻,借助测量装置确定第一半波的第一输出电流值和第二半波的第二输出电流值以及借助调节装置设置接通时刻,其中将基于两个输出电流值的偏差的调节量输送给调节装置。
附图说明
以下,将参照实施例更为详细地阐述本发明。在此所公开的各特征就本发明本质而言也可以有其他组合。
图1a示出了在谐振工作中的E类转换器的情况下作为时间函数的输出电压。
图1b示出了图1a的E类转换器的输出电流。
图2a示出了在用于根据本发明的电子镇流器的、非谐振工作中的E类转换器的情况下作为时间函数的输出电压。
图2b示出了对应于图2a的E类转换器的输出电流。
图3示出了根据本发明的测量装置的电路图。
图4示出了具有根据本发明的控制装置的E类转换器和以变压器方式耦合到E类转换器上的灯的电路图。
图5以展现本发明实施例的整体电路图示出了图3的测量装置的变形方案、E类转换器、图4中的控制装置和所连接的灯。
具体实施方式
图1a和1b示出了根据现有技术的E类转换器的输出电压和输出电流。
为了阐述图1a和1b,在此将图4的一部分一同考虑在内,该部分示出了E类转换器的电路图。
图4中所示的E类转换器将恒定的直流电压转换成脉冲直流电压。该脉冲直流电压具有直流电压供给U1、存储线圈L1和开关元件(在此为MOSFET(金属氧化物半导体))T1。如果开关元件T1接通,通过存储线圈L1的电流随着时间增大。如果开关元件T1断开,则通过存储线圈L1的电流突然改变。存储在存储线圈L1中的能量可以通过次级线圈L2耦合输出并且输送给所连接的灯L。开关元件T1可以谐振地和非谐振地工作。
图1a示出,如在大约5μs时在次级线圈L2上的电压由于开关元件T1的关断而快速地从-100V上升至2.5kV并且接着在3μs内又下降到-100V的初始值。这种电压曲线对在此所连接的DBD灯是典型的。开关元件T1在该电压脉冲之后才又被接通。
图1b示出了与图1a相匹配的通过次级线圈L2的电流。该电流可以分成两个半波:在第一半波期间进行灯L中的放电介质的第一点燃。通过在放电介质中建立反向极化和电荷经次级回路(即灯的负载回路)回振,在第二半波期间进行第二点燃。对此的详细描述可在WO 00/13204中得到。
与图1a和1b不同,在图2a和2b中E类转换器非谐振地工作,也就是说,开关元件在次级线圈L2上下降的电压脉冲衰减之前又被接通。在图2a中可看到的是,电压脉冲在其下降边沿通过接通开关元件T1被斩波并且该电压比图1a中更陡地下降。图2b示出了与图2a相匹配的通过次级线圈L2的电流。与图1a相比,第二半波的形状改变。电流振荡现在不再具有柔和的略带圆形的曲线,而是显示出明显的尖峰。该尖峰由于在输出电压脉冲陡峭地下降的边缘期间接通开关元件T1而产生。开关元件T1的该接通支持了在灯负载回路中的电荷的回振。由此,使第二半波的峰值大致倍增。
在根据本发明的电子镇流器中,E类转换器非谐振地、即根据图2a和2b地工作。在说明书序言中已确定,耦合输入灯中的功率在非谐振工作中随着接通时刻而改变。此外,半波的曲线并且尤其是半波的峰值随着开关元件的接通时刻的变化而改变。
在该例子中,该峰值改变被用于调节关断时间,即在开关元件T1的关断与再次接通之间的时间间隔。
在图3中示出了根据本发明的、用于测量和处理E类转换器输出电流的峰值的测量装置的电路图。电感器L3与灯的负载回路串联。测量装置具有相对于电感器L3为次级的电感器L4。与该电感器L4并联地连接有测量电阻RS1。在测量电阻RS1上下降的电压与流经灯的负载回路的电流(即E类转换器的输出电流)成比例。包括二极管D1和电容器C1的串联电路与测量电阻RS1并联。二极管D1在一个方向上截止,使得电容器C1存储针对E类转换器输出电流的两个半波之一的、在测量电阻RS1上的峰值。
平行于前述串联电路连接有包括第二电容器C2和相反极性的第二二极管D2的串联电路。在第二电容器C2中存储测量电阻RS1上的另一半波的峰值。
在第一二极管D1与第一电容器C1之间的连接节点V1和在第二二极管D2与第二电容器C2之间的另一连接节点V2之间连接两个电阻R1和R2的串联电路。第三电容器C3连接在电阻R1和R2之间的连接节点V3与参考电势之间。通过电阻R1和R2产生如下电流:该电流对应于从电容器C1和C2流出的电流的差。该差动电流在该第三电容器C3中被积分。与第三电容器C3并联连接有第三电阻R3,电容器C3可以通过该第三电阻放电。
存在于第三电容器C3的电压对应于存储在电容器C1和C2中的峰值的差的时间积分。然而,由于电容器C3通过电阻R3来放电,所以差在积分时在时间上被加权。两个峰值之间的当前差具有最大影响,而过去的差随着越来越大的时间间隔对电容器C3上的电压的影响越来越小。电容器C3上下降的电压为用于根据本发明的电子镇流器的调节量。
图4示出了带有所连接的灯的等效电路图的根据本发明的电子镇流器的一部分的电路图。
带有存储线圈L1、开关元件T1和测量电阻RS2的E类转换器通过直流电压供给U1被供给功率。存储线圈L1、开关元件T1和测量电阻RS2以所述顺序连接在正供给电势U1与参考电势之间。通过相对于存储线圈L1的次级线圈L2将功率耦合输入灯L中。
第一阈值元件(在此为比较器K1)的输出端与开关元件T1的控制输入端相连,使得阈值元件K1可以关断和接通开关元件T1。在第一阈值元件K1的反向输入端上存在参考电压U_ref1。用作阈值的参考电压U_ref1在此由测量装置的输出和偏置构成(参阅图5)。在非反向输入端上有第四电容器C4上的电压。该第四电容器C4通过电阻R4与电压源U2相连,其中由电阻R4和第四电容器C4构成的串联电路连接在直流电压源U2的正供给电势U2+与参考电势之间。第一阈值元件K1的非反向输入端通过在电阻R4与电容器C4之间的中间抽头V4与电容器C4相连。
第二阈值元件K2(同样为比较器)以反向输入端与在开关元件T1和与开关元件T1串联的测量电阻RS2之间的连接节点V5相连,使得在测量电阻RS2上下降的电压被输送给第二阈值元件K2的反向输入端。在第二阈值元件K2的非反向输入端上存在参考电压U_ref2。第二阈值元件K1的输出端通过二极管D3与连接节点V4相连,使得第四电容器C4可以通过比较器K1的输出端放电。
E类转换器的开关循环在图4所示的电路中如下地进行:
如果开关元件T1首先被接通,则通过线圈L1和测量电阻RS2的电流增加。存储线圈L1存储越来越多的能量并且在测量电阻RS2上的电压升高。如果测量电阻上的电压升高并且由此在第二阈值元件K2的反向输入端上的电压超过参考电压U_ref2,则一方面第四电容器C4通过第二阈值元件K2的输出端放电到阈值U_ref1之下,而另一方面第二阈值元件K2关断开关元件T1。流经存储线圈L1的电流突然改变,并且在次级线圈L2上出现高感应电压,该感应电压导致功率耦合输入到灯L中,如图2a中所示。
在开关元件T1截止期间,也没有电流流经测量电阻RS2并且在第二阈值元件K2的反向输入端上的电压又低于电压U_ref2,使得第四电容器C4未被进一步放电。第四电容器C4现在通过电阻R4被电压源U2充电。该充电过程的时间常数通过电阻R4的大小和电容器C4的电容来确定。如果在电容器C4上的电压升高并且由此在第一阈值元件K1的非反向输入端上的电压超过阈值U_ref1,则第一阈值元件K2又接通开关元件T1并且开始下一个开关循环。
图5示出了如何能够借助测量装置来检测E类转换器的输出电流的峰值以及具体地使用调节量的一种可能性。
图5进一步示出了图3的测量装置、灯L、E类转换器和图4的电路装置的整体电路图。第三电容器C3连接在参考电压源U_ref3的正电势与第一阈值元件K1的反向输入端之间。因此,图3的测量电路的电势被推移电势差U_ref3。第三电容器C3仍旧对从峰值检测电路D1、C1、R1和D2、C2、R2流出的电流的差进行积分,使得对应于调节量的在电容器C3上的电压下降。
如果存储在峰值检测电路C1、R1和C2、R2中的峰值彼此偏差,则通过第三电容器C3形成电压,该电压可以加到电压源U_ref3的正电势或者从该正电势减去。这对应于第一阈值元件K2的阈值改变,该阈值改变影响关断时间的持续时间。

Claims (12)

1.一种用于驱动灯(L)的电子镇流器,其具有用于为待连接的灯(L)供给功率的E类转换器(T1,L1),所述E类转换器具有开关元件(T1),
其中在灯(L)被连接的情况下E类转换器(T1,L1)的输出电流在关断开关元件(T1)之后具有相反极性的第一和第二半波,
其特征在于,电子镇流器具有用于测量输出电流的测量装置和用于设置开关元件(T1)的接通时刻的调节装置,
其中测量装置设计为,确定第一半波的第一输出电流值和第二半波的第二输出电流值,以及
其中将基于这两个输出电流值的偏差的调节量输送给用于设置接通时刻的调节装置。
2.根据权利要求1所述的电子镇流器,其中测量装置具有两个峰值检测电路(R1,C1,R2,C2),并且设计为在这两个峰值检测电路中的第一峰值检测电路(R1,C1)中检测第一半波的峰值作为第一输出电流值,而在这两个峰值检测电路中的第二峰值检测电路(R2,C2)中检测第二半波的峰值作为第二输出电流值。
3.根据权利要求2所述的电子镇流器,其中由调节装置所使用的额定值对应于第一峰值和第二峰值的绝对值的差,所述差小于这两个峰值的较大峰值的40%。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电子镇流器,其中测量装置设计为以变压器的方式测量输出电流。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电子镇流器,其中测量装置设计为在E类转换器(T1,L1)的多个开关循环上对输出电流值之间的偏差进行平均。
6.根据权利要求2和5所述的电子镇流器,其中由峰值检测电路(R1,C1,R2,C2)以电压形式检测峰值,并且峰值检测电路(R1,C1,R2,C2)与包括平均电容器(C3)和电阻(R3)的并联电路相连,使得在平均电容器(C3)上的电压为E类转换器过去的开关循环的两个峰值的绝对值之差的时间间隔加权的平均值。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电子镇流器,其中调节装置包括用于切换开关元件(T1)的控制装置,该控制装置具有第一阈值元件(K1),其中调节量被输送给阈值元件(K1)的第一输入端,并且阈值元件与开关元件(T1)相连,使得第一阈值元件(K1)可以切换开关元件(T1)。
8.根据权利要求7所述的电子镇流器,其中控制装置具有:
-电容器(C4),
-第二阈值元件(K2),以及
-电压源(U2),
其中
-在第二阈值元件(K2)的输入端上存在表示通过开关元件(T1)的电流的信号,
-第二阈值元件(K2)与电容器(C4)相连,使得在第二阈值元件(K2)的输入端上达到阈值时,电容器(C4)以第一意义转换,
-第一阈值元件(K1)具有第二输入端,并且电容器与两个输入端之一相连,使得与电容器(C4)的电荷状态成比例的信号被输送给该输入端,并且
其中调节装置被设计为,
-开关元件(T1)根据电容器(C4)的第一转换通过第一阈值元件(K1)来关断,
-电容器(C4)通过电压源(U2)以另外的第二意义转换,以及
-第一阈值元件(K2)基于电容器(C4)的第二转换又接通开关元件(T1),
使得电容器(C4)的第二转换的转换时间确定关断时间。
9.根据权利要求7或者8所述的电子镇流器,其中调节装置的两个阈值元件(K1,K2)是比较器(K1,K2)。
10.根据权利要求9所述的电子镇流器,其中控制装置设计为,电容器(C4)通过第二阈值元件(K1)的输出端放电。
11.根据上述权利要求中任一项所述的电子镇流器,用于驱动介质阻挡放电灯(L)。
12.一种照明系统,其包括根据上述权利要求中任一项所述的电子镇流器和能与该电子镇流器一起使用的灯(L)。
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