CN115276388A - 一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，所述单管浪涌电流抑制电路包括单管浪涌电流抑制电路输入端、单管浪涌电流抑制电路输出端、脉冲负载抑制前馈电路、脉冲负载抑制单管阻抗控制电路和限流与检测共用电路；所述脉冲负载抑制前馈电路用于突加电压时脉冲负载抑制前馈，所述限流电阻与检测共用电路由所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路中的元件构成。本发明可实现脉冲功率启动，减少脉冲功率系统的缓启动时间；此电路仅需单颗MOS管即可实现，且限流电阻与检测电路共用，电路简单，器件少，成本低，易于实现。

Description

一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路

技术领域

本发明属于浪涌电流抑制电路技术领域，尤其涉及一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路。

背景技术

污水处理电源、静电除尘电源、金属加工电源以及发射机电源一般均是脉冲类负载。脉冲负载是一类特殊负载形式，其电流为矩形波，存在负载峰值和谷值。脉冲功率传递至发电系统后，发电机的输出电压可能会超出指标范围，严重时还会出现发电机保护现象。为减小脉冲功率对发电机的影响，通常需使用电容储能，对脉冲功率进行平滑；脉冲功率的频率越低则需要的电容值越大。电容在上电过程中，会产生大的浪涌电流。大的浪涌电流会导致系统中的上电控制继电器触点寿命降低，因此需对浪涌电流进行限制。为减小浪涌电流，需要在电容的充电回路中串联电阻；为减小串联电阻损耗，需要在充电完成后减小串联电阻的阻值以降低损耗。

常用的电容上电浪涌电流抑制方法有热敏电阻、电阻与开关并联、MOS管线性导通方法。热敏电阻是在电容充电回路中串联热敏电阻，热敏电阻冷态时电阻大可以限制浪涌电流，启动后热敏电阻温度升高，温度升高导致热敏电阻阻值减小，从而减小损耗；在需要脉冲负载启动的场合，脉冲负载导致峰值电流大，长时间的峰值脉冲电流会导致热敏电阻热耗大，热敏电阻需要选取大的封装，电路体积大。电阻与开关并联方法，在启动时电阻参与充电回路限制浪涌电流，充电完成后闭合开关；但是该方法一般需要RC延时电路或计时电路实现开关的按需闭合；简单的RC延时电路由于电容值变化和残余电压问题可能导致不能正常实现电容充电缓启动；MOS管线性导通的方法则通过控制MOS管的驱动电压，使其缓慢通过线性区，电阻由大变小实现缓启动，但是由于MOS管的启动阈值和米勒平台电压与器件和驱动电路均相关，难以保证MOS管的线性启动，启动过快会导致抗浪涌失败，启动过慢可能导致MOS管的过热烧毁。为实现可控启动，也有学者提出线性区、非线性区MOS管和电阻结合控制的方法，通过电阻保证MOS管的线性区正常工作，非线性区的MOS管短路电阻减小损耗，但是该方法仅适用非脉冲负载启动的场合，在脉冲负载启动时则会出现MOS管驱动失败，电路不能实现缓启动的情况。CN202020657929.2专利提出了逐周期峰值电流限流充电电路、浪涌旁路开关管驱动控制电路、浪涌异常过流锁死及解锁电路和电容充满检测及控制电路组成的抗浪涌电路，改方法可宽温度范围、宽输入电压情况下正常抑制浪涌电流，但其电路组成相对复杂。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路,该电路可实现脉冲功率启动，减少脉冲功率系统的缓启动时间；此电路仅需单颗MOS管即可实现，且限流电阻与检测电路共用，电路简单，器件少，成本低，易于实现。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，所述单管浪涌电流抑制电路包括单管浪涌电流抑制电路输入端、单管浪涌电流抑制电路输出端、脉冲负载抑制前馈电路、脉冲负载抑制单管阻抗控制电路和限流与检测共用电路；

所述脉冲负载抑制前馈电路用于突加电压时脉冲负载抑制前馈，所述限流电阻与检测共用电路由所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路中的元件构成。

进一步的，所述脉冲负载抑制前馈电路包括电容C1、二极管D1和电阻R1，所述电容C1一端分别与二极管D1阴极和电阻R1第一端连接，所述电容C1另一端与所述单管浪涌电流抑制电路输入端连接，所述二极管D1阳极和所述单管浪涌电流抑制电路输出端连接。

进一步的，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路包括储能电容，所述储能电容正极分别与所述单管浪涌电流抑制电路输入端和电阻R2的第一端连接，所述储能电容负极与MOS管Q1漏极连接，所述MOS管Q1栅极与瞬态抑制器D4阴极、电阻R4一端、电阻R3一端和三极管Q2集电极连接，所述MOS管Q1的源极与瞬态抑制器D4阳极、电阻R4另一端、电阻R8一端和所述单管浪涌电流抑制电路输出端连接，所述MOS管Q1漏极还与电阻R7一端连接，所述电阻R3另一端与所述电阻R2第二端连接，所述电阻R7的另一端与电阻R8的另一端相连，所述电阻R7和所述电阻R8的连接点通过电阻R5与三极管Q2基极连接，所述三极管Q2基极还与电阻R6一端、电容C3一端和电阻R1第二端连接，所述三极管Q2发射极还与电阻R6另一端、电容C3另一端和所述单管浪涌电流抑制电路输出端连接。

进一步的，所述限流与检测共用电路由所述电阻R7和所述电阻R8组成。

进一步的，所述脉冲负载抑制前馈电路还包括设于所述电容C1和所述电阻R1之间的瞬态抑制器D2，瞬态抑制器D2阴极与所述电容C1连接，瞬态抑制器D2阳极与电阻R1连接。

进一步的，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于所述电阻R3与所述三极管Q2发射极之间的瞬态抑制器D3，瞬态抑制器D3阴极与所述电阻R3连接，瞬态抑制器D3阳极与所述三极管Q2发射极连接。

进一步的，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括电容C2，所述电容C2一端与所述MOS管Q1栅极连接，另一端与所述MOS管Q1源极连接。

进一步的，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于所述电阻R7和所述电阻R8与电阻R5之间的二极管D6，二极管D6阳极与所述电阻R7和所述电阻R8连接，二极管D6阴极与所述电阻R5连接。

进一步的，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于所述电阻R7和所述电阻R8与所述二极管D6之间的瞬态抑制器D5，瞬态抑制器D5阳极与所述二极管D6阳极连接，瞬态抑制器D5阴极与所述电阻R7和所述电阻R8连接。

进一步的，所述MOS管Q1电压低于设定值时闭合短路。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路通过采用脉冲负载抑制前馈电路、脉冲负载抑制单管阻抗控制电路以及限流与检测共用电路可实现脉冲功率启动，减少脉冲功率系统的缓启动时间。

(2)本发明中脉冲负载抑制前馈电路可在脉冲负载情况下实现前馈加速，抑制启动和电压突增时的浪涌电流；脉冲负载抑制单管阻抗控制电路通过负反馈实现充电状态控制，保证电路可靠运行，且可抑制脉冲负载对缓启动的影响。

(3)本发明提供的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路仅需单颗MOS管即可实现，且限流电阻与检测电路共用，电路简单，器件少，成本低，易于实现。

附图说明

图1是本发明的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路的电路图；

图2是稳态负载启动双管抗浪涌电路的电路图；

图3是本发明实施例脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路仿真波形图。

图4是稳态负载启动双管抗浪涌电路仿真波形图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

脉冲负载是一类特殊负载形式，其电流为矩形波，存在负载峰值和谷值。脉冲功率传递至发电系统后，发电机的输出电压可能会超出指标范围，严重时还会出现发电机保护现象。为减小脉冲功率对发电机的影响，通常需使用电容储能，对脉冲功率进行平滑；脉冲功率的频率越低则需要的电容值越大。电容在上电过程中，会产生大的浪涌电流。大的浪涌电流会导致系统中的上电控制继电器触点寿命降低，因此需对浪涌电流进行限制。为减小浪涌电流，需要在电容的充电回路中串联电阻；为减小串联电阻损耗，需要在充电完成后减小串联电阻的阻值以降低损耗。

为了解决上述技术问题了，提出了本发明一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路的下述各个实施例。

实施例1

参照图1，如图1所示是本实施例提供的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路的电路图。

该电路具体包括单管浪涌电流抑制电路包括单管浪涌电流抑制电路输入端、单管浪涌电流抑制电路输出端、脉冲负载抑制前馈电路、脉冲负载抑制单管阻抗控制电路和限流与检测共用电路。其中，脉冲负载抑制前馈电路用于突加电压时脉冲负载抑制前馈，限流电阻与检测共用电路由脉冲负载抑制单管阻抗控制电路中的元件构成。

本实施例提供的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路由脉冲负载抑制前馈电路、限流与检测共用电路和脉冲负载抑制单管阻抗控制电路三部分组成；脉冲负载抑制前馈电路的主要作用是在电压突然增加时提供前馈支路，控制MOS管关闭，实现加速作用，同时完成脉冲负载导致的电压突变的抑制功能；限流与检测共用电路则同时完成充电限流电阻和的电容充电状态检测两个功能；脉冲负载抑制单管阻抗控制电路通过检测电容充电的状态闭合开关管实现阻抗变化控制，此外还能抑制脉冲负载启动导致的电容充电状态误检测。

具体地，本实施例中脉冲负载抑制前馈电路包括电容C1、二极管D1和电阻R1，电容C1一端分别与二极管D1阴极和电阻R1第一端连接，电容C1另一端与单管浪涌电流抑制电路输入端连接，二极管D1阳极和单管浪涌电流抑制电路输出端连接。

该电路突加电压时脉冲负载抑制前馈电路工作，由C1和R1组成的支路快速使得三极管Q2的基极电平升高，关闭MOS管Q1，从而使得储能电容从限流电阻R7和R8充电，此时电阻R7和R8起限流作用；当电压突然下降时，由二极管D1和电容C1组成的支路放电，从而不影响三极管Q2的基极，最终不改变MOS管Q1的驱动电压和电路的正常工作。

此处由于发电机的内阻效应，脉冲负载下会导致电源电压存在脉冲纹波，脉冲电压纹波中的突变会对Q2的基极充电，导致Q1的驱动电压不停变化，从而影响脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路的脉冲负载启动和工作。作为一种实施方式，本实施例中脉冲负载抑制前馈电路还包括设于电容C1和电阻R1之间的瞬态抑制器D2，瞬态抑制器D2阴极与电容C1连接，瞬态抑制器D2阳极与电阻R1连接。本电路由于瞬态抑制器D2可对脉冲负载导致的电压脉冲进行抑制，从而实现脉冲负载下的正常启动和工作。

本实施例中脉冲负载抑制单管阻抗控制电路包括储能电容，储能电容正极分别与单管浪涌电流抑制电路输入端和电阻R2的第一端连接，储能电容负极与MOS管Q1漏极连接，MOS管Q1栅极与瞬态抑制器D4阴极、电阻R4一端、电阻R3一端和三极管Q2集电极连接，MOS管Q1的源极与瞬态抑制器D4阳极、电阻R4另一端、电阻R8一端和单管浪涌电流抑制电路输出端连接，MOS管Q1漏极还与电阻R7一端连接，电阻R3另一端与电阻R2第二端连接，电阻R7和电阻R8另一端通过电阻R5与三极管Q2基极连接，三极管Q2基极还与电阻R6一端、电容C3一端和电阻R1第二端连接，三极管Q2发射极还与电阻R6另一端、电容C3另一端和单管浪涌电流抑制电路输出端连接。

Q1工作于开关区，充电期间关闭，充电完成后导通短路限流电阻R7和R8，电阻R2～R4、以及稳压管D4组成MOS管Q1的驱动电源电路。电阻R3～R4进行二次分压为MOS管Q1提供驱动电压，瞬态抑制器D4嵌位驱动电压保护MOS管Q1。电阻R5～R8、电容C3和三极管Q2组成充电状态检测反馈电路，充电开始时，三极管Q2导通嵌位驱动电压为0，MOS管Q1处于关闭状态，由电阻R7～R8对电容限流充电；R7和R8分压检测MOS管Q1电压，根据母线输入电压等级和母线电压纹波最大值设置Q1闭合电压，Q1闭合电压低于设定值则MOS管Q1闭合短路限流电阻完成充电，实现负反馈控制。

作为一种实施方式，本实施例脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于电阻R3与三极管Q2发射极之间的瞬态抑制器D3，瞬态抑制器D3阴极与电阻R3连接，瞬态抑制器D3阳极与三极管Q2发射极连接。D3为一次保护稳压，防止驱动电路低压部分电压过高。

作为一种实施方式，本实施例脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括电容C2，电容C2一端与MOS管Q1栅极连接，另一端与MOS管Q1源极连接。电容C2分流电压突变时流过MOS管Q1门漏极之间等效的电容电流，防止米勒电流流过电阻R3导致驱动电压异常。

作为一种实施方式，本实施例脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于电阻R7和电阻R8与电阻R5之间的二极管D6，二极管D6阳极与电阻R7和电阻R8连接，二极管D6阴极与电阻R5连接。二极管D6用于防止损害三极管的基极。

作为一种实施方式，本实施例脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于电阻R7和电阻R8与二极管D6之间的瞬态抑制器D5，瞬态抑制器D5阳极与二极管D6阳极连接，瞬态抑制器D5阴极与电阻R7和电阻R8连接。瞬态抑制器D5用于限制脉冲负载对反馈控制的影响。

本实施例中Q1闭合时的电压V_close_Q1计算公式为：

V_close_Q1＝[V_be_Q2÷R6×(R5+R6)+V_av_D6+V_av_D5]÷R8×(R7+R8)

其中，V_be_Q2表示Q2的导通基极电压，V_av_D6表示D6导通压降，V_av_D5表示D5击穿电压。

需要说明的是，当电路中没有设置二极管D6时，V_av_D6为0，当电路中没有设置瞬态抑制器D5时，V_av_D5为0。

Q1闭合时的电压设置需要考虑脉冲负载导致的电压纹波，在能抑制脉冲负载影响情况下尽可能小，以防止闭合电压过大，闭合电压越大则在闭合时产生的浪涌电流也越大。

共用电阻R7～R8的选择则需要考虑MOS管Q1闭合电压的分压比例外，还需要考虑充放电时间设置与功耗的平衡，充电时间与电容充电时间常数Cin×(R7+R8)成正比，充电时间越快则功耗越大，充电时间越慢则功耗越小。

本实施例中限流与检测共用电路由电阻R7和电阻R8组成。

本实施例限流电阻与检测共用电路由电阻R7和R8组成，电路上电时，MOS管Q1关闭，储能电容Cin由电阻R7、R8组成的回路充电，限制浪涌电流；初始时Q1两端的电压为电源电压，此时电阻R7和电阻R8分压得到的电压高，从而使得三极管Q2的基极电平升高，关闭MOS管Q1；开始充电后，MOS管Q1两端的电压缓慢变小，检测电阻R7和R8分压值随之变小，当MOS管Q1两端的电压小于Q1闭合时的电压V_close_Q1时，可认为储能电容Cin电压达到充电完成状态，三极管Q2的关断后，MOS管Q1导通短路限流电阻R7和R8，完成充电过程。

本实施例提供的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路通过采用脉冲负载抑制前馈电路、脉冲负载抑制单管阻抗控制电路以及限流与检测共用电路可实现脉冲功率启动，减少脉冲功率系统的缓启动时间；脉冲负载抑制前馈电路可在脉冲负载情况下实现前馈加速，抑制启动和电压突增时的浪涌电流；脉冲负载抑制单管阻抗控制电路通过负反馈实现充电状态控制，保证电路可靠运行，且可抑制脉冲负载对缓启动的影响；该电路仅需单颗MOS管即可实现，且限流电阻与检测电路共用，电路简单，器件少，成本低，易于实现。

实施例2

本实施例根据图1与电路工作原理得到以下本实施实例设计参数：

储能电容Cin为300uF，电源电压为180～350V，额定270V。

2)R1＝35kΩ，R2＝400kΩ，R3＝5.1kΩ，R4＝33kΩ，R5＝1kΩ,R6＝100kΩ，R7＝500Ω，R8＝50Ω。

3)C1＝47nF，C2＝20μF，C3＝10nF。

4)二极管D1耐压400V、瞬态抑制器D2、D3、D4击穿电压为12V、瞬态抑制器D5击穿电压为2.5V，二极管D6为信号二极管，MOS管Q1耐压400V，三极管Q2为信号三极管。

由上述设计参数搭建仿真模型，电源由0上升至270V时，本实施例测试波如图3所示，图3是本实施例脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路仿真波形图。电源电压由0V变为270V后，脉冲负载随电压出现，储能电容电压缓慢增加，浪涌电流0.5A，启动过程中MOS管Q1的驱动电压逐渐变大最终稳定至固定电压值并导通MOS管实现脉冲负载启动。

实施例3

本实施例以稳态负载启动双管抗浪涌电路作为测试对比对象。

参照图2，如图2所示是稳态负载启动双管抗浪涌电路的电路图。

参照图4，如图4所示是稳态负载启动双管抗浪涌电路仿真波形图。

其仿真参数为：

储能电容Cin'为300uF，电源电压为180～350V，额定270V。

R1'＝550Ω，R2'＝400kΩ，R3'＝27kΩ，R4'＝30kΩ，R5'＝300kΩ,R6'＝62kΩ，R7'＝1kΩ，R8'＝100kΩ。

C1'＝100nF，C2'＝100nF，C3'＝10nF。

瞬态抑制器D1'击穿电压12V、稳压管D2'击穿电压为4.3V、瞬态抑制器D3'击穿电压33V、瞬态抑制器D4'击穿电压为12V，二极管D5'为信号二极管，MOS管Q1'耐压400V，MOS管Q2'耐压100V三极管，Q3'为信号三极管。

电源电压由0V变为270V后，脉冲负载随电压出现，启动浪涌电路4.1A，启动过程中MOS管Q1'的驱动电压先上升至米勒平台，电路对储能电容Cin'进行缓启动，但是米勒平台后由于脉冲负载影响，导致储能电容电流出现反向后，MOS管Q1'的驱动电压重复充放电，不能稳定到导通电压，缓启动电路工作异常。

根据上述实验结果对比可知，本发明实施例提供的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路可以抑制电容充电时的浪涌电流，浪涌电流低至0.5A；在脉冲负载工况下，电路中MOS管的驱动电压会上升至稳定值，使得MOS管饱和导通，完成脉冲负载缓启动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述单管浪涌电流抑制电路包括单管浪涌电流抑制电路输入端、单管浪涌电流抑制电路输出端、脉冲负载抑制前馈电路、脉冲负载抑制单管阻抗控制电路和限流与检测共用电路；

所述脉冲负载抑制前馈电路用于突加电压时脉冲负载抑制前馈，所述限流电阻与检测共用电路由所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路中的元件构成。

2.如权利要求1所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述脉冲负载抑制前馈电路包括电容C1、二极管D1和电阻R1，所述电容C1一端分别与二极管D1阴极和电阻R1第一端连接，所述电容C1另一端与所述单管浪涌电流抑制电路输入端连接，所述二极管D1阳极和所述单管浪涌电流抑制电路输出端连接。

3.如权利要求2所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路包括储能电容，所述储能电容正极分别与所述单管浪涌电流抑制电路输入端和电阻R2的第一端连接，所述储能电容负极与MOS管Q1漏极连接，所述MOS管Q1栅极与瞬态抑制器D4阴极、电阻R4一端、电阻R3一端和三极管Q2集电极连接，所述MOS管Q1的源极与瞬态抑制器D4阳极、电阻R4另一端、电阻R8一端和所述单管浪涌电流抑制电路输出端连接，所述MOS管Q1漏极还与电阻R7一端连接，所述电阻R3另一端与所述电阻R2第二端连接，所述电阻R7的另一端与电阻R8的另一端相连，所述电阻R7和所述电阻R8的连接点通过电阻R5与三极管Q2基极连接，所述三极管Q2基极还与电阻R6一端、电容C3一端和电阻R1第二端连接，所述三极管Q2发射极还与电阻R6另一端、电容C3另一端和所述单管浪涌电流抑制电路输出端连接。

4.如权利要求3所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述限流与检测共用电路由所述电阻R7和所述电阻R8组成。

5.如权利要求2所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述脉冲负载抑制前馈电路还包括设于所述电容C1和所述电阻R1之间的瞬态抑制器D2，瞬态抑制器D2阴极与所述电容C1连接，瞬态抑制器D2阳极与电阻R1连接。

6.如权利要求3所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于所述电阻R3与所述三极管Q2发射极之间的瞬态抑制器D3，瞬态抑制器D3阴极与所述电阻R3连接，瞬态抑制器D3阳极与所述三极管Q2发射极连接。

7.如权利要求3所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括电容C2，所述电容C2一端与所述MOS管Q1栅极连接，另一端与所述MOS管Q1源极连接。

8.如权利要求3所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于所述电阻R7和所述电阻R8与电阻R5之间的二极管D6，二极管D6阳极与所述电阻R7和所述电阻R8连接，二极管D6阴极与所述电阻R5连接。

9.如权利要求8所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述脉冲负载抑制单管阻抗控制电路还包括设于所述电阻R7和所述电阻R8与所述二极管D6之间的瞬态抑制器D5，瞬态抑制器D5阳极与所述二极管D6阳极连接，瞬态抑制器D5阴极与所述电阻R7和所述电阻R8连接。

10.如权利要求3所述的脉冲负载启动的单管浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述MOS管Q1电压低于设定值时闭合短路。

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