CN102077691B - 照明装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种照明装置,包括至少一个可更换模块(112,114),各模块(112,114)包括至少一个光源(106-110)。各模块(112,114)包括控制器(102,104),用于通过以预定方式作为时间的函数来调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率,从而补偿由至少一个光源(106-110)老化引起的光强度变化。
Description
技术领域
本发明涉及照明装置和控制方法。
背景技术
包括多个照明单元如LED或LED阵列的照明装置可用于室内或室外场合的照明。室外照明装置的一个例子是路灯。当照明装置的照明单元损坏时,可以用新的工作单元来替换。
当用新的工作照明单元来替换损坏的照明单元时,即便是模式和型号相同,该新的照明单元通常也与原始的照明单元并不非常相似。LED的发展非常迅速,而且其发光强度日益增加。因此,新的照明单元一般比原始照明单元在新的时候要亮。此外,照明装置中依然存在的未损坏的照明单元在使用期间已经老化,它们的发光强度减弱。而且,温度也会影响照明单元的老化。即使新照明单元与原始照明单元在新的时候一样亮,但是该新照明单元一般也会比在使用中已经老化的照明单元要亮。
新照明单元的强度可通过以下步骤来设定为预定水平:测量照明单元的强度、比较测得强度与期望强度,以及控制提供给照明单元的电功率以使照明单元的强度设定为理想水平。
然而,这种解决方案存在一些问题。该方案的结构复杂。此外,照明单元的强度测量受到光测量传感器的污染、冰、雪和/或源自其他地方的干扰光的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的照明装置及方法。该目的可以用这样的照明装置来实现,其包括至少一个可更换的模块,且各模块包括至少一个光源。各模块包括控制器,其配置成可通过以预定方式作 为时间和所供应电功率的函数来调节将提供给至少一个光源的电功率,以补偿由所述至少一个光源的老化引起的光强度的变化。
本发明还涉及照明装置的控制方法。通过以预定方式作为时间和所供应电功率的函数来调节将提供给至少一个光源的电功率,以补偿由所述至少一个光源的老化引起的光强度的变化。
本发明的优选实施例在附属权利要求中有描述。
本发明的方法和系统提供了多项优点。利用简单的设置便可将照明装置的强度保持在期望水平,而不管在照明装置的整个使用寿命期间是否更换模块。污染物、冰、雪或来自其它地方的干扰光单独地或整体地均不会阻碍对强度的调节。
附图说明
在下文中将参照附图并结合优选实施例来更详细地描述本发明,在附图中:
图1显示了照明装置;
图2显示了更详细地示出控制器的照明装置;
图3显示了强度作为时间的函数的特性;
图4显示了作为时间的函数的电功率;
图5显示了用于损坏模块的强度的补偿;
图6显示了开关电源;
图7显示了电功率的调节;以及
图8显示了控制方法的流程图。
具体实施方式
现在参照图1来研究照明装置。例如供电电网可向模块112和114提供电功率。模块112包括一个光源106。模块114则包括两个光源108和110。光源106-110可以是LED。通常可具有一个或多个模块,并且每个模块可包括一个或多个光源。针对模块为特定的控制器102,104例如可将来自供电电网的交流电转换为直流电。作为供电电网的替代,电功率可源自照明装置系统、照明装置或光源的特定电源。 控制器102,104还可控制提供给模块112,114的电功率。控制器102,104例如可通过修改脉冲比来控制所提供的电压水平和/或电流强度。
每个模块112,114可包括其自身的控制器102,104,其通过以预定方式作为时间的函数来调节提供给各光源106-110或模块112,114的电功率来补偿由模块112,114和/或至少一个光源106-110的老化所引起的光强度变化。
下面参照图2研究所提供的解决方案。每个控制器102,104可包括电源202、调节器204、处理器206、存储器208和时钟210。此外,每个控制器102,104可包括传感器212、传感器214和温度计216。时钟210和温度计216也可以是整个照明装置共有的。时钟也可以是对于模块来说为特定的。温度计220则可以是特定模块的或特定光源的。可从用作光源的LED中测得作为温度的函数的阈值电压,以作为实际温度的替代。这允许在不用单独温度计的情况下测量温度。
此外,可用作辅助存储器的存储器218可以是特定模块的,由此,对应于存储器208中存储的数据的修复数据和/或压缩数据可存储在各模块的存储器218中。数据可写入到存储器218中,并且存储器218中的数据可通过电源导体读取。
存储器218和用作光源106-110的至少一个LED可集成到一个可更换的照明装置元件222中。元件222可包括一个或多个电路,其可以是半导体芯片。元件222还可只包括一个其中集成了存储器218和至少一个光源106-110的半导体芯片。元件222还可包括温度计220,其直接测量或通过阈值电压来测量温度。
时钟210可测量各光源106-110或模块112,114已被使用以调节所提供电功率的期间所用的时间。时钟210可测量电功率或各电功率范围已连接到至少一个光源106-110或模块112,114上的期间所用的时间。
假设开始时照明装置将以一恒定强度发光。下面针对模块114来进行说明,但是它们同样也可通用于其他模块的调节。处理器206可借助存储在存储器208,218中的数据来控制调节器204,以改变作为时间的函数的电源202向模块114所提供的电功率,其中所述数据涉 及光源的发光强度随时间变化的特性。通常来说,光源的强度随时间而减弱,因此微处理器206可控制调节器204以向模块114提供更多电功率,从而保持强度恒定。传感器214又可测量提供给光源106的电功率,如电流强度,并将该数据输入到处理器206中。这样,处理器206可比较实际提供给模块114的电功率是否就是微处理器206所希望的水平。
如果光源106-110由模块112,114控制,则各模块112,114可具有例如600lm的预定光强度水平。这样的话,所消耗的电流约为例如1.5A。然而,此电流(因此和功率)因老化而改变。
各处理器206可基于电功率范围的持续时间来调节光强度的变化。电功率可近似到一个或多个功率范围中。因此,如果向模块112,114提供约为1.5A的电流,那么可以是例如在每经过6700小时之后模块112,114的光强度减弱10%。如果光强度的10%减弱对应于一个偏差值(在光强度中一定不会发生该偏差值的大小变化或超过该值),则进行光强度的调节。在这种情况下,在每经过6700小时之后处理器206可向模块112,114提供例如高出10%的电流。根据老化的情况,该变化可作为时间的函数而减慢或加速。在此情况下,在首个6700小时后,电功率可能需要10-%的增加,但是随后的10%可能仅在10000小时后才需要,或在5000小时后就已经需要。然而无论光强度如何变化,均可将关于在预定时间后提供给各模块的电功率增加多少的数据存储在存储器208,218中。
也可改变电源202所提供的功率范围。在此情况下,电压水平或电流强度水平可以自适应调节。各处理器206可设定提供给各光源或模块的电功率范围,并基于该电功率范围的集合作为时间的函数来进行调节。如果光源106-110由模块112,114控制,各模块112,114可以例如具有两个光强度水平,例如为400lm和800lm。在较低强度水平下电功率较低(例如电流约为1A),在较高强度水平下电功率较高(例如电流约为2A)。通过根据提供给各模块的功率来设定期望功率范围,各处理器206便可将各模块控制在期望强度水平。在较高的强度水平下老化和光强度的减弱一般更快,这是因为更高的电功率消 耗、更高的温度等。所提供的功率还可利用传感器214和处理器206中输入的数据来测量。
各处理器206可基于各电功率范围的持续时间来补偿光强度的变化。因此,如果向模块112,114提供约1-A的电流,那么例如在每经过10000小时后模块112,114的光强度可减弱10%。如果光强度中的10-%(固定值401m)的减弱对应于一个偏差值(在光强度中一定不会发生该偏差值的大小变化或超过该值),则进行光强度的调节。在此情况下,在每经过10000小时后可向模块112,114提供高出约10%的电流。根据老化的情况,该变化可减慢或加速。然而无论光强度如何变化,均可将关于在预定时间后提供给各模块的电功率增加多少的数据存储在存储器208,218中。
因此,如果向模块112,114提供约为2-A的电流,则每经过例如5000小时后模块112,114的光强度减弱10%。仍然在此示例中,如果光强度中的10-%(或固定值80lm)的减弱对应于一个偏差值(在光强度中一定不会发生该偏差值的大小变化或超过该值),则进行光强度的调节。因此,在每经过5000小时以后可向模块112,114提供高出约10%的电流。以与上述类似的方式,根据老化的情况,该变化可减慢或加速,然而无论光强度如何变化,均可将关于在预定时间后提供给各模块的电功率增加多少的数据存储在存储器208,218中。
通常,控制器102,104可确定作为所提供电功率p和时间t的函数的至少一个光源106-110和/或模块与期望强度的强度偏差。这可用数学方式表达为d=f(p,t)。函数f例如可以是功率和时间的乘积。在此情况下,预定偏差值可以是10000Ah,其对应于在之前例子中的10-%的减弱(1A×10000h=2A×5000h≈1.5A×6700h)。
如果还考虑温度T的话,偏差d可表示为函数k≥d=f(p,t,T)。在这两种情况下,函数f是针对功率和时间(和温度)递增的函数。函数f还可包括恒值项ref,使得f(p,t,T)=ref-g(p,t,T),其中ref表示期望光强度,g(p,t,T)表示实际强度。在此情况下,偏差d表示期望强度和实际强度之差。作为该差的替代,也可确定比例f(p,t,T)=ref/g(p,t,T)。如果偏差d等于或超过预定偏差值k,则调节强度。
如果函数f例如是和 则可调节模块112,114或各光源106-110的光强度,其中i是该和的下标(功率范围的下标),N是所加项的数量(如功率范围的数量),pi是时间的权重系数,ti是功率范围i所用的时间,而k是偏差值。权重系数Pi可表示功率范围。如果时钟是计数脉冲的计数器,则权重系数pi可用来乘以脉冲数或脉冲频率。控制器102,104可确定偏差d。预定偏差值k存储在存储器208,218中。处理器206可计算两个函数f和g的值或从存储器208,218中获取这两个值,其可在存储器208,218中存储为预定值。
作为附加或备选,各控制器102,104可测量各光源106-110的温度,并基于测得温度作为时间的函数来调节向其所提供的电功率。有时,模块112,114可处于如50℃的温度,并在另一时间可处于如80℃的温度。老化和光强度减弱的情况在更高温度下更快。
各控制器102,104可基于各温度的持续时间来补偿光强度的变化。在此情况下,温度计216可测量照明装置和/或环境的温度。因此,如果模块112,114的温度在50℃下已经持续了10000小时,那么模块112,114的光强度会减弱10%。如果模块112,114的温度在80℃下又已持续了5000小时,则模块112,114的光强度还会减弱10%。如果光强度的10-%的减弱对应于偏差值k(在光强度中一定不会发生该偏差值的大小变化或超过该值),则进行光强度的调节。在此情况下,例如在50℃的温度下每经过10000小时可向模块112,114提供高出10%的电流。相应地,例如在80℃的温度下每经过6250小时可向模块112,114提供高出10%的电流。而且,如前所述,根据老化的情况,光强度的变化可变慢或加速,但无论光强度如何变化,均可将关于预定时间后提供给各模块的电功率增加多少的数据存储在存储器208,218中。
在各控制器102,104中可存储一个或多个预定偏差值。控制器102,104可确定所述至少一个光源106-110的强度与期望强度的偏差,其为提供给所述至少一个光源106-110的电功率和时间的函数。当偏差超过预定偏差值k时,各控制器102,104可调节提供给所述至少一个光源106-110的电功率。可在模块112,114的制造阶段将有关光强 度变化的数据存储在存储器208,218中。预定偏差值k在不同强度水平下可具有不同的幅度。
与补偿因老化而导致强度变弱有关的行为可实时地进行,或者可以在预定的时间、如间隔1000小时进行。在实时工作模式下,确定所有时间下的测量数据和功率供给变化需求。当在预定时间下工作时,控制器102,104可搜集例如1000小时期间内的功率水平数据和/或温度数据,随后在1000小时的间隔处确定是否需要改变到光源的功率供应。作为1000小时的替代,可选择任何预定的合适时间以进行这些行为。
存储在存储器208,218中的数据可基于通过预先进行的测量所确定强度的类似推导。存储在存储器208,218中的数据可基于测量的数据和/或光源制造商给出的数据或模块制造商的测量数据。
可经过供电电网或与照明装置关联的另一功率供应网络来传送包含有关于所安装模块的数据的信号,以便修改存储在存储器208,218中的数据。该数据可通过分别测量光源106-110和模块112,114而提前获得,或者该数据可基于从制造商处获得的数据。传感器212可接收该信号,并向处理器206传送包括在该信号中的数据,处理器206可将包括在该信号中的数据存储在存储器208,218中。与新照明单元关联的信号可包括用于所接收控制信号的解释数据和涉及新光源关于时间和温度的特性的数据。此外,该数据可确定新光源或模块的电控制。这样,处理器206能控制调节器204来调节电源202,以向例如新更换的模块提供期望功率范围内的正确电功率。可利用处理器206、调节器204和电源202根据存储在存储器206,218中的数据来调节电功率。在需要时还可利用控制信号来进一步修改存储器208,218中的数据。另外,存储器208,218可包括例如适当的计算机程序、用于所接收控制信号的解释数据,以及涉及光源关于时间和温度的特性的数据。
图3显示了作为老化的函数的光强度的调节。竖轴是光强度I,横轴是时间。两个轴均按自由选择的线性比例。线300表示第一期望强度水平I1,线302表示第二期望强度水平I2。当模块(可能也是单个光 源)在时间0处开始发光时,向其提供一定量的电功率,使其以期望强度水平302发光。然而,当电功率保持恒定时,老化使模块的实际强度304减弱。当时间过去而到时间t1处时,实际强度304与期望强度302的偏差增加到一定幅度的预定偏差值k,并且进行强度调节,由此实际强度304变得与期望强度302(近似地)相等。
在时间t2处,实际强度304修改成对应于期望强度水平300。由于期望强度水平300高于期望强度水平302,因此电功率的消耗也高于期望强度水平300下的消耗。为此,老化也更快(实际强度的减弱部分的角度系数更高),并且必须更频繁地进行调节。
在时间t3处,在实际强度304已经下降但下降的程度小于需要进行调节的程度后,实际强度304被计算成回到期望强度300的水平。然而,实际强度304可保持为比期望强度300稍低,这是因为在期望强度302的水平上不会进行调节。然而,随后在时间t4处进行调节。预定偏差值k在不同强度水平上可具有不同的幅度。
图4显示了作为时间的函数的提供给模块或光源的功率。竖轴是能量E(即功率和时间的乘积E=pt),而横轴是时间。曲线400表示模块或光源的能量。在到达时间t3之前电功率范围保持不变,虽然由于老化而在时间t1和t2处进行了调节。在时间t3处,功率范围上升得更高,之后,在时间t4和t5处必须更频繁地进行调节,这是因为更大的功率范围会加速老化。
图3和4显示了以阶梯式增量的方式调节电功率。然而,如果调节连续进行(即偏差值k接近零),则阶梯式特性会从图3所示的曲线中消失,并且实际强度非常接近期望值。然后,图4所示的曲线变成连续递增函数,如虚线402所示。在此情况下,可能的阶梯式变化是功率范围中的时间t2和t3处的变化。
图5显示了一个实施例,其中由损坏模块导致的光强度减弱通过增加其他模块的光强度来补偿。控制器102,103和104连接到光源阵列500,502,504,其中各阵列包括至少一个光源如LED。光源阵列可以是模块或独立于模块的阵列。例如,当光源阵列500损坏时,控制器102检测到该损坏。该检测可基于例如光源阵列500不再消耗电功率 这一事实,其可通过例如电流测量来测得。因此,如果控制器102测量到光源阵列500的电路中的电流强度低于预定阈值,则控制器102确定光源阵列500是坏的。控制器102将损坏信号传递给其他控制器103,104,其在获得了关于该损坏的信息后将控制更多的电功率给光源阵列502,502。电功率的增加可对应于光强度的这种增加,其又对应于损坏光源阵列500的光强度或跟它接近的强度。光源阵列502和504中的增加电功率导致需要更加频繁地调节因老化而引起的补偿。
图6显示了控制器102,103,104可包括的开关电源。在此情况下,模块112的电驱动功率可以脉冲方式提供,即电流例如可作为脉冲到达模块112。脉冲在其提供给模块之前也可滤波成直流。开关电源600可包括可编程源600和放大器604。可编程源600例如可以是处理器。可编程源600可接收用于确定放大器602输出处的最大脉冲高度的参考信号。可通过修改该参考信号来调节提供给模块112的电功率。
可编程源600也可接收与电驱动功率相关并确定放大器602输出处的脉宽的脉宽信息。可通过修改脉宽信息来调节提供给模块112的电功率。
可编程源600还可接收与电驱动功率相关并确定放大器602输出处的脉冲频率宽度的脉冲频率信息。如果脉宽保持恒定,则可通过修改脉冲频率来调节向模块112提供的电功率。放大器602向由可编程源600控制的一个或多个光源提供从驱动电极604处获取的电功率。驱动电极604可包括脉冲驱动的电功率或直接电流功率,其由驱动电压预定并可在电源202上由交流电产生。
参考信号、脉宽信息和脉冲频率信息可通过可以是键盘、触摸屏、麦克风等的用户接口606输入到可编程源600中。
图7显示了电功率202和/或放大器602的至少一部分,通过其可调节提供给光源的电功率。并联连接的固定电阻700和可调电阻702可与驱动电极604和至少一个光源串联连接。可调电阻702例如可以是FET晶体管(场效应晶体管)。当可调电阻702的阻值(电流传导率)改变时,并联连接的电阻也会改变。当可调电阻702的阻值低时(低于电阻700的阻值),大量的电流会流向光源。当可调电阻702 的阻值高时(比电阻700的阻值高出很多),则并联连接所产生的阻值等于电阻700的阻值。可调电阻702的阻值可随FET晶体管的触发电压而改变,其可由控制器206和/或600与调节器204一起来调节。
作为图7的一种变型,固定电阻700和可调电阻702也可以串联连接,这样,固定电阻700确定了光源的最大电功率。
作为图7的另一种变型,根本不需要固定电阻700,而且由可调电阻702来调节光源的电功率,没有由固定电阻700所确定的上限或下限。
图8显示了该方法的流程图。在步骤800中,利用各模块112,114中的控制器102,104通过以预定方式作为时间的函数来调节向所述至少一个光源106-110提供的电功率,从而补偿至少一个光源106-110的老化所导致的光强度变化。
控制器102至104可作为瞬间温度的函数来改变向至少一个光源106-110提供的电功率。情况一般是这样,光源所处的温度越高,则其发光的强度越低。因此,例如在高温度下可能必须向光源提供比在低温度下更多的电功率,以保持光强度恒定。
虽然这里参照附图结合示例对本发明进行了描述,但是将会理解本发明并不限于此,而是可以在所附的权利要求的范围内以各种方式进行修改。
Claims (27)
1.一种照明装置,包括至少一个可更换的模块(112,114),各模块(112,114)包括至少一个光源(106-110),
其特征在于,各模块(112,114)包括控制器(102,104),所述控制器配置成将提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率设定为期望功率范围,以预定方式作为用于多个电功率范围的每一个中的持续时间和所提供电功率的函数来调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率,以用于因所述至少一个光源(106-110)的老化所引起的光强度变化。
2.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,在各所述控制器(102,104)中存储了一个或多个预定偏差值,所述控制器(102,104)配置成作为提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率和时间的函数来确定所述至少一个光源(106-110)的强度与期望强度的偏差,并且各控制器(102,104)适于在所述偏差超过各预定偏差值时调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率。
3.如权利要求2所述的照明装置,其特征在于,所存储的数据基于所述光源(106-110)的制造商的测量或者由所述照明装置的制造商给出的测量或信息。
4.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,各所述控制器(102,104)配置成在多个功率范围里给所述至少一个光源(106-110)馈电,并基于各功率范围的持续时间来调节光强度的变化。
5.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,所述控制器(102,104)配置成用以确定至少一个光源(106-110)的温度,并基于所测量的温度的持续时间来调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率。
6.如权利要求5所述的照明装置,其特征在于,各所述控制器(102,104)配置成将温度确定为预定温度范围,并基于各温度范围的持续时间来调节光强度变化。
7.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,各所述光源(106-110)是LED。
8.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,所述照明装置包括至少一个时钟(210),其配置成测量用于调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率的时间。
9.如权利要求8所述的照明装置,其特征在于,所述时钟(210)配置成测量将电功率连接到所述至少一个光源(106-110)上的期间所用的时间。
10.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,所述控制器(102,104)配置成作为温度的函数来改变提供给至少一个光源(106-110)的电功率,以调节所述光强度。
11.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,所述照明装置包括至少一个集成元件(222),其包括至少一个光源(106-110)和其中存储了数据的存储器(218),所述数据用于在预定方式下作为时间的函数来调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率。
12.如权利要求11所述的照明装置,其特征在于,所述集成元件(222)包括一个半导体芯片。
13.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,当模块(112,114)的所述光源(106-110)损坏时,至少一个其他模块(112,114)的控制器(102-104)配置成增大到所述光源(106-110)的电功率。
14.如权利要求1所述的照明装置,其特征在于,所述控制器(102-104)包括可编程源(600)和放大器(602),所述可编程源(600)配置成接收参考信号,并基于所述参考信号来控制所述放大器(602)以提供电功率给至少一个光源。
15.一种用于照明装置的控制方法,其特征在于,利用各模块(112,114)中的控制器(102,104)将提供给至少一个光源(106-110)的电功率设定为期望功率范围,通过以预定方式作为用于多个电功率范围的每一个中的持续时间和所提供电功率的函数来调节提供给至少一个光源(106-110)的电功率来补偿因所述至少一个光源(106-110)的老化所引起的光强度变化。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于,利用各控制器(102,104)作为提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率和时间的函数来确定所述至少一个光源(106-110)的强度与期望强度的偏差,并当所述偏差超过至少一个预定偏差值时以一预定量来调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率。
17.如权利要求16所述的方法,其特征在于,所述预定偏差值基于所述光源(106-110)的制造商的测量或所述照明装置的制造商的测量或信息。
18.如权利要求15所述的方法,其特征在于,利用各控制器(102,104)在多个功率范围处给所述至少一个光源(106-110)馈电,并基于各功率范围的持续时间来调节光强度的变化。
19.如权利要求15所述的方法,其特征在于,测量所述至少一个光源(106-110)的温度,并基于所测温度的持续时间来调节提供给所述至少一个光源(106-110)的电功率。
20.如权利要求19所述的方法,其特征在于,确定所述温度为预定温度范围,并基于各温度范围的持续时间来调节光强度的变化。
21.如权利要求15所述的方法,其特征在于,各光源(106-110)是LED。
22.如权利要求15所述的方法,其特征在于,利用时钟(210)来测量时间,以调节提供给至少一个光源(106-110)的电功率。
23.如权利要求22所述的方法,其特征在于,测量将电功率连接到所述至少一个光源(106-110)的期间所用的时间。
24.如权利要求15所述的方法,其特征在于,作为温度的函数来修改提供给至少一个光源(106-110)的电功率,以调节所述光强度。
25.如权利要求15所述的方法,其特征在于,所述照明装置包括至少一个集成元件(222),其包括至少一个光源(106-110)和其中存储了数据的存储器(218),所述数据用于以预定方式作为时间的函数来调节提供给至少一个光源(106-110)的电功率。
26.如权利要求15所述的方法,其特征在于,当一个模块(112,114)的光源(106-110)损坏时,增加至少一个其他模块(112,114)的至少一个光源(106-110)的电功率。
27.如权利要求15所述的方法,其特征在于,所述控制器(102-104)包括可编程源(600)和放大器(602),在所述可编程源(600)中接收参考信号,并且基于所述参考信号来控制所述放大器(602)以向至少一个光源提供电功率。
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