CN1278966A - 高灵敏度电气开关电路 - Google Patents

Abstract

一种用在电器用具(29)上的开关电路,包括第一(51a)和第二(51b)常开开关线端和一个与第一和第二开关线端相连的高灵敏度阻抗测量电路,所述高灵敏度阻抗测量电路用于测量其间的阻抗,并且,如果该阻抗低于一预定阈值500MΩ,在其输出端产生一个开关信号。该用具与阻抗测量电路的输出瑞相连,以便响应所述开关信号。本发明发现了用于控制和保护工作于交流市电电源的电器用具的特定应用。对于这种应用,将一个开关线端(51b)连接到虚接地线(46),其中虚接地线相对于市电电源的接地馈电线(41)电浮动。在虚接地线与其他开关触点之间的电接触的情况下,产生一个明显的接地故障。接地故障导致一个由阻抗测量电路检测到的小电流,以便产生一个开关信号,该开关信号然后可以用于操作一个用于控制用具的合适的继电器。

Description

高灵敏度电气开关电路

发明领域

本发明涉及电气开关和控制电路。

发明背景

常常需要通过合适的开关和控制电路对电气和电子设备进行远程操作和控制。在以相对高的电压工作的高功率设备、例如在主配电网上工作的设备的情况下，所产生的控制和开关电流会相当大，高达几百毫安培。当这种振幅的电流流过长电缆时，在电缆上会产生相当大的电压，其振幅正比于电缆的特定阻抗或电阻系数。这又导致能量损耗和工作成本增大。可以通过采用较低规格(即，更粗)的、其电阻系数相应较低的电缆来减小通过电缆的电压，但这使得控制和开关电缆变得又笨又昂贵。

本发明人的已公开PCT申请no．WO 95／31028中公开了一种用于监视电器用具接地的完整性的检测器，其中所述电器用具具有用于将电流从相应的电源的带电和中性馈电线送到电器用具的带电和中性线端，所述电源具有连接到电器用具的接地端的接地点。检测器包括差分比较器电路，用于将中性连接处的电压与在电器用具的接地端的电压进行比较，如果其间的差超过一预定阈值，则产生一个故障信号。开关设备连接到至少一个带电和中性连接，以便由与检测器可操作地相连并因而响应于所产生的故障信号的继电器断开。

在本申请人的1997年10月2日公开的WO 97／36358中，公开了这样一个检测器用于或者未接地或者其接地线受损的电器用具的特定应用。因此，根据WO 97／36358，提供了一种与具有电传导外壳的电器用具结合使用的保护设备，无论与该电器用具所连到的电源相联系的接地线的状态如何，所述保护设备避免使外壳变得“带电”，所述电器用具具有用于将电流从电源的相应的带电和中性馈电线送到电器用具的带电和中性线端，所述设备包括：

虚接地线，相对于电源的所述接地线电浮动，所述虚接地线用于电连接到电器用具的外壳，而不是电源的接地线，以及

接地阻抗测量电路，用于测量在带电或中性线端与用具的虚接地线之间的阻抗，并且，如果所述阻抗降至低于一预定阈值，产生一个故障信号。

事实上，在WO 97／36358中公开的保护电路采用WO 95／31028的差分比较器主体来比较在带电和中性和浮动接地线之间的电压，以使得在测量出的电压之间的任何差异都表明一个接地故障。与常规的接地线相比，采用浮动接地线有几个主要的优点。首先，不会有使人接触到浮动接地点而触电的危险，因为没有回路通过故障电流的实际接地。其次，通过在差分比较器电路中采用合适的电阻器，可以将登记不平衡所需的“故障”电流减少到毫微安培的一部分(即，小于10^－9安培)，以便与与常规接地故障检测器电路相联系的毫安培区分开来。当然，另一个优点是不依赖于可靠的接地。

采用浮动接地本身是已知的。因此，EP 695105公开了一种用于具有接地线33的用具的保护设备，其中接地线33可以是电器用具的金属外壳，通过电阻器R1连接到包括元件EC2、EC3、EC4和OC1的保护电路，从而，如果流过R1的漏泄电流超过一特定阈值，则这个保护电路向继电器线圈RL1提供一个触发，以便断开主开关触点SW1和SW2。因此，如果接地阻抗低于一预定阈值，则保护电路提供一个故障信号。

同样，FR 2468430公开了一种保护设备，其中，如上面EP 695105所述的，操作原理为，在接地故障的情况下，将有一个漏泄电流流过接地线，采用这个漏泄电流的振幅来提供对主电路断路器的解扣信号。在在带电或中性馈电线与GND之间的常规接地故障的情况下，所产生的流过虚接地线的接地漏泄电流影响足够的保护。

然而，在带电和中性连接之间短路的情况下，在正常情况下没有接地漏泄电流，因此在EP 695105和FR 2468430中所述电路将不提供保护。这是一个非常严重的缺陷，因为短路故障代表相当大的火险。

发明概述

本发明的一个目的是提供一个高灵敏度开关电路，用于允许通过一对携带可忽略电流的电线对一个电气设备进行远程开关，从而可以在不产生不可接受的欧姆损耗的情况下采用最小横截面积的高规格电缆。

依据本发明的一个概括方面，提供了一种用于电器用具的开关电路，所述开关电路包括：

第一和第二常开开关线端，

与第一和第二开关线端相连的高灵敏度阻抗测量电路，用于测量其间的阻抗，如果所述阻抗低于一预定阈值500MΩ，所述高灵敏度阻抗测量电路在其输出端产生一个开关信号；

用具与所述输出端相连，以便响应所述开关信号。

本发明发现了用于控制和保护工作于交流市电电源的电器用具的特定应用。对于这种应用，将一个开关线端连接到虚接地线，其中虚接地线相对于市电电源的接地馈电线电浮动。在虚接地线与其他开关触点之间的电接触的情况下，产生一个明显的接地故障。接地故障导致一个由阻抗测量电路检测到的小电流，以便产生一个开关信号，该开关信号然后可以用于操作一个用于控制用具的合适的继电器。

在虚接地线与由带有一般为几千欧姆左右的体电阻的人体接地之间接触的情况下，会产生足够强的故障信号。这样，人体与一个或这两个开关线端的接触足以登记一个“接地故障”，从而产生所需的开关信号。如果需要的话，可以将一个或这两个开关线端连接到金属触板(touch plate)，从而使得人体与其的金属接触导致所需开关信号的产生。

或者，在显示出一个非常高的几百MΩ的接触阻抗时，两个开关线端都可以相对于地相互浮动。缩短开关触点、甚至利用按钮触点将阻抗减小到低于阻抗测量电路的阈值，从而产生开关信号。在这个情况下，应该理解，“缩短”意思是将两个开关触点之间的接触阻抗降低到小于预定阈值500MΩ。所产生的然后流入阻抗测量电路的电流可以低至几毫微安培。

依据本发明的一个最佳实施例，阻抗测量电路包括一个差分比较器电路，用于将在电源的带电和中性连接线之间的电压的一部分与虚接地线的电压进行比较。如果在两个电压之间的电压差超过一预定阈值，则产生一个故障信号。

附图简要说明

为了理解本发明以及如何在实际中实现本发明，下面将通过非限制性实施例参考附图说明一个用于连接到电源馈电线的开关电路，其中：

图1图解地显示了本发明的原理；

图2是连接到一个输入电源的用于电器用具的远程开关的开关电路的图解表示；

图3图解地显示了在开关电路中使用的差分比较器电路的细节；

图4是依据本发明的另一个实施例的高灵敏度开关电路的图解表示；以及

图5是依据本发明的用于开关电路的采用低成本明线布线的应用的图解表示。

最佳实施例的详细说明

图1显示了一个系统10，包括分别具有带电和中性电源干线相位12和13和地线GND的电源11。连接到带电干线12的是用于在其输出端15产生一个调准低压直流电源的稳压器14。稳压器14的输出15于是构成一个高直流干线，同时，中性电源干线13构成一个低直流干线，这在后面的说明中将会引用。

连接在高、低直流干线之间的是第一分压器，第一分压器包括一对电阻16和17，其公共接点18连接到差分电压比较器12的第一输入端20。差分电压比较器12的第二输入端13连接到包括一对电阻24和25的第二分压器的公共接点23。电阻25的自由端26连接到一个触板，构成一个开关线端。

差分电压比较器12的输出端27连接到NPN双极面结型晶体管28的基极，NPN双极面结型晶体管28的射极连接到低直流干线，集电极通过合适的开关元件K连接到高直流干线15，其中开关元件K可以是电磁或固态继电器。用具29具有通过常开开关触点30接通的电源连接，开关触点30在开关元件K的控制下以公知方式闭合。因此，开关元件K类似于公知的允许通过低电压控制或开关电路开关高电压设备的接触器。

一个站在地GND上的触摸开关触点26的人31使得小电流通过他流过第二对电阻23和24至GND。其结果为，在差分电压比较器21的两个输入端20和13的电压之间产生了不平衡，其输出端27从而变高。当这种情况发生时，双极面结型晶体管28导通，从而接通继电器K，闭合常开开关触点30，从而将电流提供给用具29。当然，应该理解，通过用常闭开关触点代替常开开关触点30，可以将同样的原理应用到中断到用具29的电流上。

在WO 97／36358的内容内，人31引起一个接地故障，相对于GND电浮动的开关触点26构成一个虚接地线。这些术语在下面对特定结构的描述中将变得更清楚。

根据欧姆定律，电气装置的阻抗等于通过装置的电压除以流过装置的电流。因此，如果对于开关触点26没有接地泄漏，则在开关触点26和带电电源干线12之间的阻抗非常高，其中假设电阻23和24具有适当的高值电阻。更具体地，如果相电压是220V，最大允许安全泄漏电流是0．9mA，则阻抗一般超过250KΩ。然而，在明显接地故障的情况下，例如对开关触点26的泄漏电流增大，则阻抗明显下降。在高直流干线和接点23之间的阻抗于是用作为对是否有开关触点26的接地泄漏的测量。

由于开关触点26相对于GND浮动，所以电源11的中性馈电线13的接地的完整与否不再重要。更具体地，可靠的接地GND的规定或这种规定的缺少都是无关的；在任何一种情况下，都会确保继电器K在不超过几毫秒的时间内的快速工作。还应该理解的是，通过对电阻16、17、23和24采用适当的高值部件，即使当“接地”泄漏电流可忽略、例如在毫微安培级时，也可以产生明显的接地故障。当检测器电路如同WO 97／36358中所教导的用作常规接地故障保护设备时，这个灵敏度级是几乎不能用的。然而，这非常适合于高灵敏度触摸开关的应用，并且，所产生的可忽略的电流允许采用具有非常小的横截面积的高规格控制电缆，从而降低这种电缆的成本以及它们的体积。

现在参看图2，显示了基于上述原理的触摸开关35的电路图。在市电电源11的带电和中性馈电线12和13之间连接的是一个具有带抽头次级绕组37的隔离变压器36，用于将110或220V的初级电压降压到在各个抽头上的大约10V。直流桥式整流器38通过选择开关39连接到带抽头次级绕组中的一个合适抽头，并在分别构成电源干线和地干线的高电压干线40和低电压干线41之间产生大约为12V直流的输出电压。

带电和中性引入线12和13还通过相应的开关42和43分别连接到带电和中性电气插座44和45，如图所示，图1中所示用具29连接到其上，还提供了一个接地电气插座46，如果需要的话，用具29的外部金属盒连接到其上。然而，这种连接不是永久的，因为与WO 97／36358所述电路不同，触摸开关35并不用于防护实际的接地故障，而是用于用具29的远程开关。

开关42和43构成了由连接在地和NPN双极面结型晶体管49的集电极之间的继电器线圈48(构成一个主馈电线开关装置，可以是一个接触器)同时操作的开关设备。NPN双极面结型晶体管49的射极连接到地，基极通过电阻50连接到由继电器线圈52操作的双极转换开关的第一常开开关触点51a。继电器线圈52构成了“致动器”，所述致动器具有第一极53a和第一常闭开关触点54a并具有第二极53b和相应的各个第二常开和常闭开关触点51b和54b。

转换开关的第一极53a连接到正的低电压直流电源干线40，而第一常闭开关触点54a连接到红色指示灯55的一端，红色指示灯的另一端接到地。同样，绿色指示灯56连接在地和第一常开开关触点51a之间。转换开关的第二极53b通过整流二极管57连接到继电器线圈52的一端，继电器线圈52的第二端通过一个检测器电路连接到正的低电压直流电源干线40，该检测器电路由58表示，在下面将参考附图3进行更详细的说明。

滤波电容59连接在继电器线圈52上。同样，出于完整的缘故，所示的滤波电容60连接在双极面结型晶体管49的基极和地之间。连接在带电和中性引入线12和13之间的是包括一对电阻61和62的分压器，电阻61和62的公共接点通过限流电阻63连接到检测器58内的差分比较器的一个输入端，差分比较器的第二个输入端接地。因此，差分比较器将带电和中性引入线12和13之间的电压的一部分与虚接地线46上的电压进行比较。

参看图3，可以看到，检测器58包括连接到图2所示直流电源干线40上的低电压直流干线61。6V稳压器62连接在低直流电压干线61和地之间，以便在稳压器62的稳压干线63和地之间存在一个稳定的6V直流电压。

包括电阻64和65的第一分压器连接在稳压干线63和地之间，具有一个连接到双比较器66的第一反相输入端(管脚2)的公共接点，以便提供一个偏移地电位固定量的基准电压信号。图2所示分压器的公共接点也通过电阻67连接到比较器66的第一非反相输入端(管脚3)。6V的齐纳二极管68与稳压干线63和地之间的限流电阻69串联连接，在稳压干线63和地之间连接一个平滑电容70。

比较器66的输出端71(管脚7)连接到NPN双极面结型晶体管72(构成一个“常开开关电路”)的基极，NPN双极面结型晶体管72的射极接地，集电极连接到图2所示的第二常开开关触点51b。输出端71还通过电阻73(图2所示)与地相连。

连在继电器线圈52上的整流二极管57分流由线圈52产生的任何高的反电动势，从而避免对双极面结型晶体管72的损害。

为了提高检测器58的可靠性，比较器66包括共享一公共输出并以相同方式连接到上述结构的双比较器。双比较器可以由集成电路构成，例如国家半导体LM193系列。

检测器58的操作如下。在正常条件下，在虚接地线46的电压与分别馈送到比较器66的输入管脚的部分馈电线电压之间有一个很大的不平衡。因此，比较器66的输出电压很高，从而双极面结型晶体管72的基极电压很高，双极面结型晶体管72导通。在这个条件下，双极面结型晶体管72相当于在其射极和集电极之间短路，从而将常开开关触点51b接地。

高压干线40通过电阻50连接到双极面结型晶体管49的基极。双极面结型晶体管49因此导通，允许电流流过继电器线圈48，继电器线圈48接通和闭合开关42和43，从而将电源11的引入线端12和13连接到相应的电气插座44和45。同时，高压干线40连接到绿色指示灯56，绿色指示灯56于是显示并提供用具29被接通的可视指示。

如果现在一个操作者触摸构成图1所示开关触点26的触板的虚接地线46，则产生一个明显的接地故障，使得从比较器66看出的差分电压降低，其输出71变低。晶体管72因此截止，其集电极不再接地。因此，加到常开开关触点51b(当用具29被接通时闭合)上的电压不再处于地电位，因此继电器线圈52断电，转换开关触点回复到图2所示的“故障”状态。在这个状态下，高压干线40连接到红色指示灯55，红色指示灯55显示并提供用具29现在被断电的可视指示。同时，由于开关触点51a不再连接到高压干线40，则加到双极面结型晶体管49的基极的电压变低，双极面结型晶体管49截止。这使得继电器线圈48断电，从而断开在适配器20的引入线端12和13与其相应的引出线端44和45之间的电源。

因此依据本发明提供了一种高灵敏度的触摸开关，该触摸开关响应可忽略的电流，允许对电器用具的远程操作和控制。

此外，由于安装的接地在任何情况下都是与用具29绝缘的，因为它与所采用的虚接地线是完全分开的，所以如果由于在带电和接地馈电线之间的绝缘被破坏而使得安装的实际接地变得带电，则不再存在触电的危险。

还应该理解的是，由于用具的阻抗与虚接地环的标称阻抗(其阈值被设置为大约250，000MΩ)相比是可忽略的，所以可以在虚接地线和带电或中性馈电线之间测量虚接地环的阻抗。假设电源电压为230V，这种校准使得泄漏电流低至0．009μA，使得开关35工作。

应该理解，虽然在最佳实施例中触摸开关用于使用具断电，但它同样可以用来从初始断电状态接通用具。这可以通过将开关触点53a和53b回复到初始状态或采用具有常闭触点的接触器来容易地实现，其中常闭触点在双极面结型晶体管49变得饱和时断开。或者，可以提供一对触摸开关：一个用于接通用具，另一个用于断电用具。另一种可能性是用一个双态多谐振荡器(触发器)来代替双极面结型晶体管49或72中的一个。每次在触摸触摸开关46(从而产生一个明显的接地故障)时，双态多谐振荡器的输出改变状态，交替地接通和断开继电器48或52中的一个。

还应该理解，虚接地线46作为如图2所示的接地电气插座的使用仅仅是例示性的。事实上，对于接地用具没有一种可取的实施方式，因为不会因此给予有效的接地保护。当接地保护本身是一个重要的考虑时，电路必须具有低得多的灵敏度才能以0．9mA左右的泄漏电流工作。这可以通过采用两个电路来最好地实现：一个具有用作为用具的接地线的虚接地，并为接地故障连接校准；另一个具有非常高的灵敏度，用作为上述的触摸开关。

现在参看图4，显示了一个触摸开关80，触摸开关80包括常开第一和第二开关触点81和82。第一开关触点81连接到交流市电电源的输入中性馈电线83，交流市电电源的带电馈电线84连接到直流比较器86的输入端85，如上面参考图1和3所述。连接到比较器86的输出端的是NPN双极面结型晶体管87的基极，其射极连接到直流零电压干线，集电极连接到一个继电器88，继电器88可以是用于中断到交流用具的电流的接触器。电容89连接在比较器86的输出端，用于平滑用作为晶体管87的基极偏置电压的比较器输出电压。

触摸开关80的操作如下。在正常环境下，在两个开关触点81和82之间的阻抗超过阈值500MΩ，开关是“开路”。当两个开关触点之间的阻抗降至低于该值时，大约几毫微安培的小交流电流流入比较器86的输入端85，使其振荡。也就是说，电容89上的输出电压变为HIGH和LOW。电路被校准，使得当该情况发生时电容89的上的净电压足以将晶体管87推进饱和状态，从而驱动继电器88。

还应该指出的是，在实际中，第一开关触点81如上所述可以连接到虚接地线，以使得与第二开关触点82的按钮接触导致在两个开关触点之间的有效“短路”。也就是说，在两个开关触点之间的阻抗将从几百MΩ降至小于1MΩ。

图5是采用低成本明线布线用于图4所示触摸开关的应用的图解表示。显示了一个用于远程操作一个电器用具91的触摸开关90，如上面参考图4所说明的。触摸开关90通过一个电传导轨迹93连接到开关触点92。触摸开关触点92引起如上所述的“接地故障”，从而操作触摸开关90，中断到到电器用具91的电流。电传导轨迹93可以是石墨轨迹，甚至可以是采用铅笔手画在墙的外表面(或任何其他表面)上的轨迹，在该表面上安装有触摸开关90。或者，墙纸(构成表面覆层)可以在其表面上印上一个导电轨迹，以便通过将几块墙纸接在一起使电子轨迹相互接触来延伸导电轨迹的有效长度。最好将导电轨迹印在墙纸的背面，开关触点92可以在所需位置推装在墙上，以便能以隐藏的轨迹来进行电接触。同样，可以将几个开关触点连接到同一轨迹上，以便允许通过适当修改的墙纸、地毯或其他表面覆层从不止一个位置来操作触摸开关90。

本发明还揭示出，开关电路是一个用于将用具连接到电气插座的适配器。同样，它可以与电气插座或电气插头或用具形成为一个整体。

Claims (25)

1．一种用在电器用具上的开关电路，所述开关电路包括：

第一和第二常开开关线端，

与第一和第二开关线端相连、用于测量其间的阻抗的高灵敏度阻抗测量电路，如果所述阻抗低于预定阈值500MΩ，所述高灵敏度阻抗测量电路在其输出端产生一个开关信号；

所述用具连接到所述输出，以便对所述开关信号作出响应。

2．如权利要求1所述的开关电路，其中，第一开关线端相对于电源的接地馈电线电浮动，以使得在地与第一开关线端之间的“接地故障”导出开关信号。

3．如权利要求1或2所述的开关电路，其中，电器用具从具有带电和中性连接的交流电源进行工作，还包括：

主馈电线中断装置，与阻抗测量电路可操作地相连，并响应用于断开连接在带电和中性连接中的至少一个上的开关设备的开关信号。

4．如权利要求3所述的开关电路，其中，主馈电线中断装置是一个接触器。

5．如权利要求3所述的开关电路，其中，主馈电线中断装置是一个接地泄漏断路器。

6．如权利要求3至5中的任何一个所述的开关电路，其中，阻抗测量电路包括：

差分比较器电路，用于将带电和中性连接之间的电压的一部分与在开关电路的第一或第二开关线端的电压进行比较，并且，如果在所述电压之间的压差超过一预定阈值，则产生开关信号。

7．如权利要求6所述的开关电路，其中，提供带有可靠接地线的交流电源，所述差分比较器电路包括：

第一输入端，连接到交流电源的接地线，以及

第二输入端，连接到分压器的公共接点，所述分压器包括串联在电源馈电线的带电和中性线端之间的一对电阻。

8．如权利要求6所述的开关电路，其中，不提供带有可靠接地线的交流电源，所述差分比较器电路包括：

第一输入端，连接到一个虚接地线，所述虚接地线相对于交流电源的接地线电浮动，以及

第二输入端，连接到分压器的公共接点，所述分压器包括串联在电源馈电线的带电和中性线端之间的一对电阻。

9．如权利要求6至8中的任何一个所述的开关电路，还包括：致动器，可操作地连接到差分比较器的输出端，并与主馈电线中断装置串连。

10．如权利要求7或8所述的开关电路，其中，主馈电线中断装置包括一个常开开关电路，所述常开开关电路与连接到带电和中性线端中的至少一个上的所述开关设备相连，并响应用于闭合所述开关设备的开关信号。

11．如权利要求7或8所述的开关电路，其中，主馈电线中断装置包括一个常闭开关电路，所述常闭开关电路与连接到带电和中性线端中的至少一个上的所述开关设备相连，并响应用于断开所述开关设备的开关信号。

12．如权利要求7或8所述的开关电路，其中，主馈电线中断装置包括一个与所述开关设备相连的双态开关电路，响应用于择一地断开和闭合所述开关设备的开关信号。

13．如权利要求6至12中的任何一个所述的开关电路，其中，差分比较器电路包括至少两个具有共同连接到所述致动器的各自的输出端的比较器。

14．如权利要求13所述的开关电路，还包括至少一个用于指示致动器的状态的指示灯。

15．如权利要求14所述的开关电路，其中，主馈电线中断装置连接到双极面结型晶体管的集电极，双极面结型晶体管的基极连接到常开指示开关触点，以便在接通致动器时连接到直流电源的电源干线。

16．如前面的任何一个权利要求所述的开关电路，其中，差分比较器是集成电路。

17．如前面的任何一个权利要求所述的开关电路，是一个用于将用具连接到一个电气插座的适配器。

18．如权利要求1至16中的任何一个所述的开关电路，与一个电气插座是一个整体。

19．如权利要求1至16中的任何一个所述的开关电路，与一个电气插头是一个整体。

20．如权利要求1至16中的任何一个所述的开关电路，与所述用具是一个整体。

21．如前面的任何一个权利要求所述的开关电路，其中，预定阈值是可选择的。

22．如权利要求21所述的开关电路，其中，预定阈值是可选择的，阻抗测量电路包括：

连接为开环放大器的差分比较器电路，被校准以便以其稳定性阈值工作，以使得注入到其输入端的交流电流将放大器推入饱和状态，从而产生开关信号。

23．一种用于开关从具有带电和中性连接的交流电源工作的电器用具的控制系统，所述控制系统包括：

依据权利要求1并可操作地连接到电器用具、用于提供或中断其电源的开关电路，

辅助开关触点，由电导体连接到开关电路的第二开关触点，以便在辅助开关触点和第一开关触点之间的小于所述预定阈值的阻抗能产生开关信号。

24．如权利要求22所述的控制系统，其中，第二开关触点安装在房间表面，电导体与适用于所述房间表面的房间覆层相联系，以便允许开关电路在房间内远离第二开关触点的延伸操作。

25．如权利要求23或24所述的控制系统，其中，电导体是在所述表面覆层上画的石墨铅笔线。

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