CN108808821A - 一种基于驱动电路的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于驱动电路的太阳能电池，本发明涉及光伏电路技术领域，解决现有技术在充电电池电量彻底耗尽状态的电子设备充电电池再充电失效问题。主要包括光伏单元和充电电池；振荡自举驱动电路，接收光伏单元输出的电流且振荡输出驱动电流至充电电池；功率追踪控制电路，接收光伏单元输出的所述电流且选择地输出增强驱动电流至充电电池。

Description

一种基于驱动电路的太阳能电池
技术领域
本发明涉及光伏电路技术领域，具体涉及一种基于驱动电路的太阳能电池。
背景技术
光伏板是主要由半导体二极管构成，能够将日光转换为电能，其功率转换效率影响因数很多，比如光密度、温度和入射方向。使用光伏板的光电系统通常利用逆变器将光伏板直接输出的直流电流转换为交流电流再接入电网得以使用。目前光电系统中的光伏板都是基于硅，功率转换效率大约能够达到18%。现有移动设备充电是需要充电适配器和未彻底没电的移动设备组合使用才能正常进行的，根据不同移动设备，充电电压一般为5V至12V，充电电流一般为250mA至2000mA。根据目前光伏板输出特性，光伏板功率是能够满足对移动设备电池充电功率要求的。此外，随着军事或民用电子设备（GPS、卫星电话等等）的技术进步，特别是移动通讯电子设备的进步，让单兵或个人长期涉足野外也能获得通讯保障，但这一切均需要电池支持，然而，对于没有市电充电来源的野外，难免会出现电子设备电池被彻底耗尽的情况，一旦所述情况出现，该电子设备会变成即使接入市电充电电源或者太阳能充电电源也不能正常充电的失效状态，这一失效状态并不是物理结构损坏，而是由于管理电池充电的智能充电电路使用余留电荷对自身唤醒，才能允许外界对电池充电，目前的解决方案均是使用专用设备强制唤醒该智能充电电路再修复电池。在更多方面上，不论军事应用或民事应用，都体现出了需要一种高功率转换效率的全电池状态充电电路或任何真实电量状态（特别是0%，电量彻底耗尽状态）直充式太阳能电池。
发明内容
针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种基于驱动电路的太阳能电池，解决现有技术在充电电池电量彻底耗尽状态的电子设备充电电池再充电失效问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，包括：
光伏单元和充电电池；
振荡自举驱动电路，接收光伏单元输出的电流且振荡输出驱动电流至充电电池；
功率追踪控制电路，接收光伏单元输出的所述电流且选择地输出增强驱动电流至充电电池。
上述方案中，所述的光伏单元，包括折叠式光伏板。
上述方案中，所述的充电电池，包括真实电量为0%-100%的移动智能终端电池。
上述方案中，所述的振荡自举驱动电路，包括：变压器、晶体管和反激整流二极管，晶体管通过连接变压器的初级绕组和次级绕组构成振荡反馈回路，振荡反馈回路周期性地导通反激整流二极管，导通的反激整流二极管对充电电池充电。
上述方案中，所述的振荡自举驱动电路，包括：
第一电容，一端连接光伏单元输出端且另一端接地；
第一电感和第二电感；
第一变压器，其初级绕组的一端通过第一电感连接至光伏单元输出端且次级绕组的一端通过第二电感连接至光伏单元输出端；
第一晶体管，其集电极连接第一变压器初级绕组的另一端、基极连接第一变压器次级绕组的另一端且发射极接地；
第一反激整流二极管，其高电位端连接第一晶体管的集电极且低电位端连接至充电电池；
第二电容，一端连接第一反激整流二极管的低电位端且另一端接地。
上述方案中，所述的振荡自举驱动电路，包括微型变压器，微型变压器的耦合系数小于1。
上述方案中，所述的功率追踪控制电路，包括：
控制器，由光伏单元输出的且高于控制器工作阈值的电流唤醒；
电压检测电路，周期性地检测由振荡自举驱动电路驱动至充电电池的电流大小；
第一功率追踪驱动电路，选择地关闭振荡自举驱动电路的振荡输出；
第二功率追踪驱动电路，选择地与振荡自举驱动电路构成有源整流电路；
其中，所述控制器由电压检测电路所检测的电流大小大于第一预定阈值而通过第一功率追踪驱动电路关闭振荡自举驱动电路的振荡输出且同步控制第一功率追踪驱动电路与振荡自举驱动电路构成高效振荡输出，所述控制器还由电压检测电路对应高效振荡输出所检测的电流大小大于比第一预定阈值更大的第二预定阈值而控制第二功率追踪驱动电路与振荡自举驱动电路构成有源整流电路，有源整流电路输出增强驱动电流至充电电池。
一种用于智能终端设备电池修复的充电电路，其特征在于，包括：
待修复充电电池和输出特性小于100毫瓦的光伏单元；
振荡自举驱动电路，接收光伏单元输出的弱电流且振荡输出驱动电流至待修复充电电池。
上述方案中，还包括：
第三电容，一端连接光伏单元输出端且另一端接地；
第三电感和第四电感；
第二变压器，其初级绕组的一端通过第三电感连接至光伏单元输出端且次级绕组的一端通过第四电感连接至光伏单元输出端；
第二晶体管，其集电极连接第二变压器初级绕组的另一端、基极连接第二变压器次级绕组的另一端且发射极接地；
第二反激整流二极管，其高电位端连接第二晶体管的集电极且低电位端连接至待修复充电电池；
第四电容，一端连接第二反激整流二极管的低电位端且另一端接地。
一种基于微小功率电源的充电电池振荡直充方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将微小功率电源输出端分别连接至耦合系数小于1变压器的初级绕组一端和次级绕组一端；
步骤2、设置发射极接地的晶体管，再将变压器的初级绕组另一端连接晶体管的集电极并将变压器的次级绕组另一端连接晶体管的基极，获得具有反向传输共发射极的间歇性开断振荡回路；
步骤3、利用间歇性开断振荡回路的输出电流对充电电池进行充电。
附图说明
图1为本发明在一些实施例下的模块示意图；
图2为本发明在一些实施例下振荡自举驱动电路示意图；
图3为本发明在一些实施例下电路示意图；
图4位本发明在一些实施例下转换功率曲线示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1
如图1，一种基于驱动电路的太阳能电池，包括：
光伏单元PVP和充电电池V1；
振荡自举驱动电路BOC，接收光伏单元PVP输出的电流且振荡输出驱动电流至充电电池V1；
功率追踪控制电路，接收光伏单元PVP输出的所述电流且选择地输出增强驱动电流至充电电池V1。
上述方案中，所述的光伏单元PVP，包括折叠式光伏板。
上述方案中，所述的充电电池V1，包括真实电量为0%-100%的移动智能终端电池。
上述方案中，所述的振荡自举驱动电路BOC，包括：变压器、晶体管和反激整流二极管，晶体管通过连接变压器的初级绕组和次级绕组构成振荡反馈回路，振荡反馈回路周期性地导通反激整流二极管，导通的反激整流二极管对充电电池V1充电。
上述方案中，所述的振荡自举驱动电路BOC，包括：
第一电容C1，一端连接光伏单元PVP输出端且另一端接地；
第一电感L1和第二电感L2；
第一变压器T1，其初级绕组p的一端通过第一电感L1连接至光伏单元PVP输出端且次级绕组s的一端通过第二电感L2连接至光伏单元PVP输出端；
第一晶体管Q1，其集电极连接第一变压器T1初级绕组p的另一端、基极连接第一变压器T1次级绕组s的另一端且发射极接地；
第一反激整流二极管D1，其高电位端连接第一晶体管Q1的集电极且低电位端连接至充电电池V1；
稳压二极管D2，其高电极接地且低电极连接第一晶体管Q1的基极；
第二电容C2，一端连接第一反激整流二极管D1的低电位端且另一端接地。
如图2，第一晶体管Q1选为FZT851A，第一反激整流二极管D1选用1N5819，第一变压器T1耦合系数为0.5，第一电容C1为100μF，第二电容C2为10μF，第一电感L1为6μH，第二电感L2为2μH，稳压二极管D2可与第一反激整流二极管D1选用相同型号，第一电容C1和第二电容C2为滤波电容，第一电感L1和第二电感L2能够增加第一变压器T1的效率并提供滤波效果，稳压二极管D2是可选的，但是采用后晶体管开关效率更高；在最佳状态下的振荡自举驱动电路BOC，可以仅仅需要来自光伏单元PVP输出的0.002瓦特电功率就能开启，并可以实现超过50%的转换效率，而一般智能充电电路或者智能设备自身的充电电路需要约100毫瓦功率才能开启。
在光伏单元PVP产生较弱电压时，比如0.45V，该电压会通过第一变压器T1的次级绕组s施加至第一晶体管Q1的基极和发射极，虽然该电压还很低，但是会将第一晶体管Q1偏置到线性区间；第一变压器T1此时充当振荡自举驱动电路BOC的反馈回路，一旦第一晶体管Q1偏置到线性区间，第一晶体管Q1开始产生电压增益，这个电压增益此刻将比正常情况更大，因为第一晶体管Q1的集电极连接有电感并处于临界开启时刻。接着，第一晶体管Q1开启之后，集电极电压被拉低至零附近，与第一晶体管Q1集电极连接的第一变压器T1初级绕组p迅速充电，当第一变压器T1初级绕组p继续受到快速充电至其拉电流能力超过第一晶体管Q1的驱动能力时，会出现第一晶体管Q1的基极电压升高，这是因为晶体管的共发射极反向传导效应（H re 参数）造成，最终第一晶体管Q1的基极电压持续升高导致第一晶体管Q1开始趋于截止状态，同时也还由于第一变压器T1的次级绕组s处电压减小和光伏单元PVP的电压减小都会造成第一晶体管Q1开始趋于截止状态。然后，在第一晶体管Q1趋于截止的临界区间，第一晶体管Q1集电极电流（因为其所连接的线圈有大量电荷聚集）会开始轻微减小Δδ，而该减小Δδ会造成集电极处电位点β电压急剧升高，一旦第一晶体管Q1截止，电位点β电压升高至足以使得第一反激整流二极管D1导通的电压后，第一晶体管Q1的集电极处初级绕组p（电位点β）等效为一个电流源，初级绕组p开始放电，通过导通的第一反激整流二极管D1对充电电池V1进行充电。在其中，电位点β电压只要发生轻微电压升高，都会通过第一变压器T1反馈将第一晶体管Q1立刻截止。初级绕组p放电后，第一反激整流二极管D1关闭，第一变压器T1恢复正常，第一晶体管Q1的基极和发射极再次进入偏置，下次循环过程开始。振荡自举驱动电路BOC的输出原理可以类比振荡器输出原理。
需要说明的是，光伏单元PVP的最低输出电压（恰好能使得振荡自举驱动电路BOC进行正常工作）是0.45V-0.6V（光线微弱），能使用如此低压进行触发的原因是光伏单元PVP在没有触发振荡自举驱动电路BOC时处于空载状态，其输出电压会高于0.6V，并且FZT851A晶体管Q1进入线性区间的电压值仅仅需要0.5V左右，而振荡开始后所需工作电压仅仅0.3V即可，光伏单元PVP使得振荡自举驱动电路BOC进行自启动，这一过程不需要唤醒额外控制电路，这也就是为什么能够克服真实电量耗尽0%时的失效问题，并且也是本方案能够进行正常充电的本质。该阶段可以称为低压自振荡充电阶段。该阶段频率范围会受到环境光的影响，一般为20KHz至200KHz，该范围可以通过调节第一电感L1和第二电感L2参数获得改变。
上述方案中，包括微型变压器，微型变压器的耦合系数小于1。
上述方案中，所述的功率追踪控制电路，包括：
控制器，由光伏单元PVP输出的且高于控制器工作阈值的电流唤醒；
电压检测电路MPPL3，周期性地检测由振荡自举驱动电路BOC驱动至充电电池V1的电流大小；
第一功率追踪驱动电路MPPL1，选择地关闭振荡自举驱动电路BOC的振荡输出；
第二功率追踪驱动电路MPPL2，选择地与振荡自举驱动电路BOC构成有源整流电路；
其中，所述控制器由电压检测电路MPPL3所检测的电流大小大于第一预定阈值而通过第一功率追踪驱动电路MPPL1关闭振荡自举驱动电路BOC的振荡输出且同步控制第一功率追踪驱动电路MPPL1与振荡自举驱动电路BOC构成高效振荡输出，所述控制器还由电压检测电路MPPL3对应高效振荡输出所检测的电流大小大于比第一预定阈值更大的第二预定阈值而控制第二功率追踪驱动电路MPPL2与振荡自举驱动电路BOC构成有源整流电路，有源整流电路输出增强驱动电流至充电电池V1。
所述的电压检测电路MPPL3，包括：
第一电阻R4，与充电电池V1串联；
放大器U9A，其同相输入端连接第一电阻R4的高电位端；
第一反相器U10，其输入端连接放大器U9A的输出端；
第二电阻R6，一端连接第一反相器U10的输出端且另一端连接放大器U9A的反相输入端；
第一滤波电容C8，并联第二电阻R6；
第三电阻R7，一端连接第二电阻R6的低电位端且另一端接地；
偏置电容C6，一端连接放大器U9A的偏置电压输入端且另一端接地；
第四电阻R5，一端连接第一反相器U10的输出端且另一端作为对应充电电池V1电流大小的电压反馈信号Vfb输出端；
第二滤波电容C7，一端连接第四电阻R5的低电位端且另一端接地。
所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2，包括：
第二反相器U5，其输入端接收控制器的第一驱动信号TC_High；
第五电阻R3，一端连接第二反相器U5的输入端且另一端接地；
第一反相器组U8，其输入端连接第二反相器U5的输出端；
第一功率晶体管Q3，其栅极连接第一反相器组U8的输出端、源极连接第一反激整流二极管D1的低电压端且漏极连接第一反激整流二极管D1的高电压端。
所述的第一功率追踪驱动电路MPPL1，包括：
第三反相器U1，其输入端接收控制器的第二驱动信号TC_Low；
第六电阻R2，一端连接第三反相器U1的输入端且另一端接地；
第二反相器组U4，其输入端连接第三反相器U1的输出端；
第二功率晶体管Q4，其栅极连接第二反相器组U4的输出端、漏极连接第一反激整流二极管D1的高电压端且源极接地；
还包括，开关晶体管Q2，用于关闭振荡自举驱动电路BOC的振荡输出，其栅极接收控制器的使能信号ENC、漏极连接第一晶体管Q1的基极且源极接地。图3还进一步增加一些电阻和电容，例如R1和C4它们是非必需的，但是设置它们的效果更好。
阶段性地，当光伏单元PVP输出逐渐升高，并且充电电池V1电量也逐渐升高时，具体地，超过210毫瓦后，控制器将输出使能信号ENC，利用开关晶体管Q2使得第一晶体管Q1的基极电压一直处于零附近，控制器输出脉宽调制的第二驱动信号TC_Low，通过第三反相器U1和第二反相器组U4增强驱动性能后控制第二功率晶体管Q4，第二功率晶体管Q4将成为控制第一变压器T1输出的开关，以使得第一反激整流二极管D1能导通，持续对充电电池输入电流，该阶段可以称为高效振荡输出阶段，此阶段控制器会利用第一驱动信号TC_High控制所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2处于休眠状态；当光伏单元PVP输出逐渐更高，并且充电电池V1电量也逐渐更高时，具体地，第一反激整流二极管D1持续导通，此时整个电路最大的损耗是由第一反激整流二极管D1损耗造成，通过第一功率晶体管Q3进行有源整流，能根本性降低此时电路损耗，控制器将输出使能信号ENC，利用开关晶体管Q2使得第一晶体管Q1的基极电压一直处于零附近，控制器输出脉宽调制的第二驱动信号TC_Low，通过第三反相器U1和第二反相器组U4增强驱动性能后控制第二功率晶体管Q4，第二功率晶体管Q4将成为控制第一变压器T1输出的开关，以使得第一反激整流二极管D1能导通，控制器还通过第一驱动信号TC_High激活所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2，让第一功率晶体管Q3与第一反激整流二极管D1构成有源整流，该阶段可以称为低频高流充电阶段；高效振荡输出阶段和低频高流充电阶段，第一变压器T1保持相对恒定，一直不为零功率。
在处理设备和逻辑性电路唤醒时，光伏单元PVP输出已经超过100毫瓦，因为低于该功率值是在现实中无法通过控制器、第一功率追踪驱动电路MPPL1和所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2实现反激功能，但是振荡自举驱动电路BOC是不受此限制的，只要光伏单元PVP输出超过0.4V就能开始对充电过程；振荡自举驱动电路BOC的转换效率范围大致为55%至75%，光伏单元PVP能正常输出相对大功率时，利用控制器、第一功率追踪驱动电路MPPL1和所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2进行功率追踪充电，本方案电路转换效率可以高达95%，至少能实现90%，分阶段控制充电过程是非常具有现实意义的；例如，在光伏单元PVP能输出大约200毫瓦时，传统智能充电电路需要约100毫瓦进行正常工作，90%转换效率下，净功率输出仅仅80毫瓦左右，而振荡自举驱动电路BOC转换效率选取容易实现的60%，净输出都有120毫瓦；但是振荡自举驱动电路BOC的效率是相对线性的，在低频大功率情况下，控制器、第一功率追踪驱动电路MPPL1和所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2转换效率能达到95%。很显然地，如图4，存在交叉点，通过大量实际检测获得，210毫瓦是两条转换效率曲线交叉点。
充电电池V1充满电监测，控制器周期性地检测电压检测电路MPPL3的输出是否符合满电量特征，在充电电池V1充满电后，控制器将关闭振荡自举驱动电路BOC、第一功率追踪驱动电路MPPL1和所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2，在休眠期内，控制器大约消耗100μW的功率，振荡自举驱动电路BOC、第一功率追踪驱动电路MPPL1和所述的第二功率追踪驱动电路MPPL2大约总共消耗2毫瓦，比正常工作期内消耗少约50倍。
实施例2
一种用于智能终端设备电池修复的充电电路，包括：
待修复充电电池V1和输出特性小于100毫瓦的光伏单元PVP；
振荡自举驱动电路BOC，接收光伏单元PVP输出的弱电流且振荡输出驱动电流至待修复充电电池V1。
上述方案中，包括：
第三电容，一端连接光伏单元PVP输出端且另一端接地；
第三电感和第四电感；
第二变压器，其初级绕组的一端通过第三电感连接至光伏单元PVP输出端且次级绕组的一端通过第四电感连接至光伏单元PVP输出端；
第二晶体管，其集电极连接第二变压器初级绕组的另一端、基极连接第二变压器次级绕组的另一端且发射极接地；
第二反激整流二极管，其高电位端连接第二晶体管的集电极且低电位端连接至待修复充电电池V1；
第四电容，一端连接第二反激整流二极管的低电位端且另一端接地。
实施例3
一种基于微小功率电源的充电电池振荡直充方法，包括以下步骤：
步骤1、将微小功率电源输出端分别连接至耦合系数小于1变压器的初级绕组一端和次级绕组一端；
步骤2、设置发射极接地的晶体管，再将变压器的初级绕组另一端连接晶体管的集电极并将变压器的次级绕组另一端连接晶体管的基极，获得具有反向传输共发射极的间歇性开断振荡回路；
步骤3、利用间歇性开断振荡回路的输出电流对充电电池V1进行充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果：实现了电量彻底耗尽电池的充电且实现了最大功率输出的阶段性充电电路。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，包括：
光伏单元和充电电池；
振荡自举驱动电路，接收光伏单元输出的电流且振荡输出驱动电流至充电电池；
功率追踪控制电路，接收光伏单元输出的所述电流且选择地输出增强驱动电流至充电电池。
2.根据权利要求1所述的一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，所述的光伏单元，包括折叠式光伏板。
3.根据权利要求1所述的一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，所述的充电电池，包括真实电量为0%-100%的移动智能终端电池。
4.根据权利要求1所述的一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，所述的振荡自举驱动电路，包括：变压器、晶体管和反激整流二极管，晶体管通过连接变压器的初级绕组和次级绕组构成振荡反馈回路，振荡反馈回路周期性地导通反激整流二极管，导通的反激整流二极管对充电电池充电。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，所述的振荡自举驱动电路，包括：
第一电容，一端连接光伏单元输出端且另一端接地；
第一电感和第二电感；
第一变压器，其初级绕组的一端通过第一电感连接至光伏单元输出端且次级绕组的一端通过第二电感连接至光伏单元输出端；
第一晶体管，其集电极连接第一变压器初级绕组的另一端、基极连接第一变压器次级绕组的另一端且发射极接地；
第一反激整流二极管，其高电位端连接第一晶体管的集电极且低电位端连接至充电电池；
第二电容，一端连接第一反激整流二极管的低电位端且另一端接地。
6.根据权利要求1或4所述的一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，所述的振荡自举驱动电路，包括微型变压器，微型变压器的耦合系数小于1。
7.根据权利要求1所述的一种基于驱动电路的太阳能电池，其特征在于，所述的功率追踪控制电路，包括：
控制器，由光伏单元输出的且高于控制器工作阈值的电流唤醒；
电压检测电路，周期性地检测由振荡自举驱动电路驱动至充电电池的电流大小；
第一功率追踪驱动电路，选择地关闭振荡自举驱动电路的振荡输出；
第二功率追踪驱动电路，选择地与振荡自举驱动电路构成有源整流电路；
其中，所述控制器由电压检测电路所检测的电流大小大于第一预定阈值而通过第一功率追踪驱动电路关闭振荡自举驱动电路的振荡输出且同步控制第一功率追踪驱动电路与振荡自举驱动电路构成高效振荡输出，所述控制器还由电压检测电路对应高效振荡输出所检测的电流大小大于比第一预定阈值更大的第二预定阈值而控制第二功率追踪驱动电路与振荡自举驱动电路构成有源整流电路，有源整流电路输出增强驱动电流至充电电池。
8.一种用于智能终端设备电池修复的充电电路，其特征在于，包括：
待修复充电电池和输出特性小于100毫瓦的光伏单元；
振荡自举驱动电路，接收光伏单元输出的弱电流且振荡输出驱动电流至待修复充电电池。
9.根据权利要求8所述的一种用于智能终端设备电池修复的充电电路，其特征在于，包括：
第三电容，一端连接光伏单元输出端且另一端接地；
第三电感和第四电感；
第二变压器，其初级绕组的一端通过第三电感连接至光伏单元输出端且次级绕组的一端通过第四电感连接至光伏单元输出端；
第二晶体管，其集电极连接第二变压器初级绕组的另一端、基极连接第二变压器次级绕组的另一端且发射极接地；
第二反激整流二极管，其高电位端连接第二晶体管的集电极且低电位端连接至待修复充电电池；
第四电容，一端连接第二反激整流二极管的低电位端且另一端接地。
10.一种基于微小功率电源的充电电池振荡直充方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将微小功率电源输出端分别连接至耦合系数小于1变压器的初级绕组一端和次级绕组一端；
步骤2、设置发射极接地的晶体管，再将变压器的初级绕组另一端连接晶体管的集电极并将变压器的次级绕组另一端连接晶体管的基极，获得具有反向传输共发射极的间歇性开断振荡回路；
步骤3、利用间歇性开断振荡回路的输出电流对充电电池进行充电。
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