DE10029853A1 - Circuit for reducing contact current during contact bounce in switch device e.g. for use in motor vehicles, has drop resistor which receives switch-on current until parallel switch responds - Google Patents

Circuit for reducing contact current during contact bounce in switch device e.g. for use in motor vehicles, has drop resistor which receives switch-on current until parallel switch responds

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Abstract

A drop resistor (RV) is connected in series with the contact to be protected (K), receives the switch-on current and reduces it until a switch device (S,s1) in parallel with the drop resistor responds, short-circuits the drop resistor and takes over the normal operating current. The switch device (S) may be driven via a delay unit (T).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung des Kontaktstromes während der Prellzeit des Kontaktes einer Schaltvorrichtung.The invention relates to a circuit arrangement for reducing the contact current during the bounce time of the contact of a switching device.

Viele Verbraucher in der Autoelektronik, in der Industrie oder auch im Haushalt haben sehr hohe Anlaufströme, die die Schalteinrichtungen unnötig belasten.Many consumers in automotive electronics, in industry or in the home have very high starting currents, which place unnecessary strain on the switching devices.

So ist z. B. der Einschaltstrom bei Glühlampen 7-10 mal größer als der Dauerstrom. Dies hängt damit zusammen, dass die Glühdrahtwendel im kalten Zustand einen viel kleineren ohmschen Widerstand aufweist als bei Glühtemperatur.So z. B. the inrush current of incandescent lamps 7-10 times greater than the continuous current. This is related to the fact that the filament in the cold state is much smaller has ohmic resistance than at annealing temperature.

Auch Transformatoren und Elektromotoren haben sehr hohe Einschaltströme, weil der induktive Widerstand außerordentlich klein ist, bis der Magnetisierungsstrom eine Gegeninduktion aufgebaut hat.Transformers and electric motors also have very high inrush currents because of the inductive resistance is extremely small until the magnetizing current is a Has built up mutual induction.

In der Automobilelektronik müssen häufig Glühlampen kurzfristig eingeschaltet und Servomotoren ein- oder umgeschaltet werden. Dabei entstehen hohe Einschaltströme, die den Halbleiterschalter oder die Schaltrelais stark belasten.In automotive electronics, light bulbs often have to be switched on and off for a short time Servomotors can be switched on or over. This creates high inrush currents that put a heavy load on the semiconductor switch or the switching relay.

Die Relais müssen so stark ausgebildet sein, dass sie das Prellen der Kontakte und die dabei entstehenden Schaltfunken langfristig überstehen. Die Lebensdauer der Relais wird dabei im wesentlichen durch den Kontaktabbrand bestimmt.The relays must be designed to be strong enough to withstand the bouncing of the contacts and the Survive the resulting switching sparks in the long term. The life of the relay will essentially determined by the contact erosion.

Ganz allgemein benötigen die Kontakte von Starkstromrelais im Gegensatz zur Fernmelderelais einen gewissen Mindeststrom, um eine Selbstreinigung der Kontakte zu erzielen.In general, the contacts of power relays, in contrast to the Telecommunications relay a certain minimum current to self-cleaning the contacts achieve.

Wenn Relaiskontakte mit Halbleiterschaltern in Reihe liegen, könnte man die Relais ohne Strombelastung umschalten. Dieser sogenannte Trockenschalter hat aber den Nachteil, dass Oxid- oder Sulfidschichten auf den Kontaktoberflächen nicht zerstört werden, so dass es zu Aussetzern kommen kann.If relay contacts with semiconductor switches are in series, the relays could be without Switch current load. This so-called dry switch has the disadvantage that oxide or sulfide layers on the contact surfaces are not destroyed, so that dropouts may occur.

Da man gerade in der KFZ-Technik größten Wert auf Langlebigkeit und Zuverlässigkeit legt, mussten bisher die Relais oder auch Halbleiterschalter so groß dimensioniert werden, dass sie die Einschaltströme sicher verkraften.Because in automotive technology in particular, great importance is attached to durability and reliability previously, the relays or semiconductor switches had to be dimensioned so large that they can safely handle the inrush currents.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit sehr geringem Aufwand derartige Schaltungen dahingehend zu verbessern, dass die Einschaltströme bis zum Abschluss des Schließvorganges der Kontakte entscheidend verringert werden, damit man mit kleineren Schaltvorrichtungen auskommt, ohne dabei die Selbstreinigung der Kontakte außer acht zu lassen. The invention has for its object such with very little effort Improve circuits in such a way that the inrush currents until the end of the Closing of the contacts can be significantly reduced, so that one with smaller Switching devices does without disregarding the self-cleaning of the contacts to let.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Reihe mit dem zu schützenden Kontakt ein Vorwiderstand geschaltet ist, der den Einschaltstrom aufnimmt und in der Höhe reduziert, bis eine zum Vorwiderstand parallel liegende Schaltvorrichtung nach einer Mindestverzögerungszeit anspricht, den Vorwiderstand kurzschließt und den normalen Betriebsstrom übernimmt.This object is achieved in that in series with the protective contact, a series resistor is connected, which absorbs the inrush current and reduced in height until a switching device lying parallel to the series resistor responds after a minimum delay time, short-circuits the series resistor and the normal operating current.

Unter Schaltvorrichtung kann dabei sowohl ein elektromagnetisches Relais als auch ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Schalttransistor, verstanden werden. Der Widerstand wird so ausgewählt, dass er den Einschaltstromstoß auf einen Bruchteil reduziert und somit die Selbstreinigung der Kontakte gewährleistet. Die thermische Belastung des Widerstandes hängt davon ab, wie lange der relativ hohe Strom fließt und wie groß die nachfolgende Abkühlzeit ist, bevor ein neues Schaltspiel beginnt.Under switching device can be both an electromagnetic relay and a Semiconductor switches, in particular a switching transistor, can be understood. The resistance is selected so that it reduces the inrush current to a fraction and thus self-cleaning of the contacts guaranteed. The thermal load of the Resistance depends on how long the relatively high current flows and how large it is subsequent cooling time is before a new switching cycle begins.

Der primäre Einschaltkontakt kann ein handbetätigter Schalter, ein Regelkontakt oder ein Schaltuhrkontakt sein. Typische Beispiele sind Druckschalter, Bimetallschalter oder Blinkrelais. Der Einschaltbefehl kann auch von einem Mikroprozessor ausgehen.The primary switch-on contact can be a manually operated switch, a control contact or a Time switch contact. Typical examples are pressure switches, bimetallic switches or Flasher relay. The switch-on command can also come from a microprocessor.

Als Verbraucher kommen entweder Glühlampen oder Elektromotoren infrage.Either incandescent lamps or electric motors can be considered as consumers.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung sind Schaltungen mit Allstrommotoren, die mit Hilfe von zwei Relais in der Drehrichtung umgesteuert werden.A preferred application of the invention are circuits with AC motors that can be reversed in the direction of rotation using two relays.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Fig. 1-6 der Zeichnung dargestellt.Embodiments of the invention are illustrated with reference to FIGS. 1-6 of the drawing.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung mit Verzögerungsglied für einen monodirektional zu betreibenden Allstrommotor, Fig. 1 shows a circuit with a delay member for a universal motor monodirectional to be operated,

Fig. 2 eine Motorschaltung mit Mikroprozessor und zwei Relais, Fig. 2 is a motor circuit with a microprocessor and two relays,

Fig. 3 eine Motorschaltung mit Mikroprozessor, Relais und Halbleiterschaltung, Fig. 3 is a motor circuit with microprocessor, relays and semiconductor circuit,

Fig. 4 eine Schaltung mit Mikroprozessor und Motorumschaltrelais, Fig. 4 shows a circuit with microprocessor and Motorumschaltrelais,

Fig. 5 und 6 Diagramme. FIGS. 5 and 6 are diagrams.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung für einen mit einer Drehrichtung betriebenen Allstrommotor M. Mit B ist eine Gleichspannungsquelle bezeichnet, beispielsweise eine Autobatterie. In dem Stromkreis liegt der zu schützende Kontakt K, eine Schaltvorrichtung S mit einem Kontakt sl, ein dazu parallel liegender ohmscher Widerstand RV und in Reihe dazu ein Motor M. Die Schaltvorrichtung S wird von einem Zeitglied T gesteuert. Fig. 1 shows a circuit for a universal motor operated with a direction of rotation M. With B denotes a DC voltage source, for example a car battery. The contact K to be protected, a switching device S with a contact sl, an ohmic resistor RV lying in parallel therewith and a motor M in series are located in the circuit. The switching device S is controlled by a timing element T.

wird durch das Zeitglied T die Spule an Spannung gelegt. Die Schaltvorrichtung S zieht ihren Anker an und schließt den Kontakt s1. Die Ansprechzeit der Schaltvorrichtung wird so gewählt, dass die Prellzeit des primären Einschaltkontaktes K sicher verstrichen ist. Nach der Schließung des Kontaktes s1 steigt der Motorstrom infolge der voll anliegenden Spannung sprunghaft an und klingt dann nach einer e-Funktion auf den belastungsabhängigen Nennwert ab. Der Widerstand RV wird - da er kurzgeschlossen ist - stromlos und kann abkühlen.the coil is energized by the timing element T. The switching device S pulls anchor and closes contact s1. The response time of the switching device is chosen so that the bounce time of the primary make contact K has elapsed safely. After contact s1 is closed, the motor current increases as a result of the full contact Voltage jumps up and then sounds like an e-function on the load-dependent nominal value. The resistor RV - because it is short-circuited - de-energized and can cool down.

Beim Öffnen des Kontaktes K gehen alle Werte auf Null und das Spiel kann neu beginnen. Hierbei ist ersichtlich, dass lediglich die Schaltvorrichtung 5 mit ihrem Kontakt s1 den erhöhten Anforderungen beim Einschalten der Last (Motor M) genügen muss. Der Einschaltkontakt K kann einfacher ausfallen, dass der Verschleiß durch Abbrand an den Kontakten vermieden wird.When contact K is opened, all values go to zero and the game can start again. It can be seen here that only the switching device 5 with its contact s1 must meet the increased requirements when the load (motor M) is switched on. The switch-on contact K can turn out to be simpler in that the wear caused by erosion on the contacts is avoided.

In Fig. 2 ist ein Mikroprozessor MP vorgesehen, der die Spulen zweier Relais R1 und R2 steuert. In Reihe mit dem zu schützenden Einschaltkontakt r1 liegt die Parallelschaltung eines Vorwiderstandes RV und des Kontaktes r2.In Fig. 2 a microprocessor MP is provided which controls the coils of two relays R1 and R2. The series connection with the switch-on contact r1 to be protected is the parallel connection of a series resistor RV and the contact r2.

Beim Schließen des Kontaktes r1 fließt ein relativ kleiner Strom über den Vorwiderstand RV und den in Reihe dazu liegenden Motor M. Wenn jetzt mit Zeitverzögerung über den Mikroprozessor MP das Relais R2 anspricht und seinen Kontakt r2 schließt, fließt ein tolerierbar hoher Anlaufstrom über den Motor M, der dann abklingt. Der Relaiskontakt r1 wird dabei nicht sonderlich belastet. Die Auswirkungen des Prellens am Kontakt r1 werden durch den Vorwiderstand RV gedämpft und gering gehalten.When contact r1 closes, a relatively small current flows through the series resistor RV and the motor M in series. If now with a time delay over the Microprocessor MP which addresses relay R2 and closes its contact r2 flows in tolerably high starting current via motor M, which then decays. The relay contact r1 is not particularly burdened. The effects of bouncing on contact r1 will be damped by the series resistor RV and kept low.

Beim Kontakt r2 betvirkt die kurzzeitige Kontaktöffnung beim Prellen, dass die sich induktiv aufbauende erhöhte Spannung über den Widerstand RV ausgleichen kann. Die Verzögerungszeit für das Relais R2 wird so groß gewählt, dass sich inzwischen ein Gegenfeld im Motor aufbauen kann.With contact r2, the brief contact opening when bouncing affects that can compensate inductively increasing voltage via the resistor RV. The Delay time for the relay R2 is chosen so large that a Can build up opposing field in the motor.

In Fig. 3 liegt der zu schützende Kontakt r1 eines Relais R1 in Reihe mit einem Vorwiderstand RV und dem Motor M. Parallel zu dem Vorwiderstand RV ist die Schaltstrecke eines Transistors Tl vorgesehen, der von dem Mikroprozessor MP verzögert angesteuert wird.In Fig. 3 is the contact to be protected r1 of a relay R1 in series with a series resistor RV and the motor M. Parallel to the series resistor RV is the switching path of a transistor Tl provided which is driven delayed by the microprocessor MP.

Beim Startsignal legt der Mikroprozessor MP die Spule des Relais R1 an Spannung. Sein Kontakt r1 schließt, so dass über Vorwiderstand RV und Motor M ein reduzierter Strom fließt. Erst wenn mit entsprechender Verzögerung der Transistor T1 durchgesteuert wird, nimmt der Motor M seinen nahezu vollständigen Anlaufstrom auf, der dann schnell auf seinen lastabhängigen Nennwert abklingt. Über den Vorwiderstand RV fließt dann nur noch ein sehr geringer Reststrom entsprechend dem kleinen Spannungsabfall am leitenden Transistor T1. Daraus ergibt sich, dass das Relais R1 eine schonendere Belastung seiner Kontakte erfährt und eine kleinere Bauform gewählt werden kann.With the start signal, the microprocessor MP applies voltage to the coil of relay R1. His Contact r1 closes, resulting in a reduced current through series resistor RV and motor M. flows. Only when transistor T1 is turned on with a corresponding delay,  the motor M takes up its almost complete starting current, which then quickly takes up its load-dependent nominal value subsides. Then only flows through the series resistor RV a very low residual current corresponding to the small voltage drop at the conductive Transistor T1. It follows that the relay R1 is a gentler load on its Contacts and a smaller design can be selected.

In Fig. 4 ist die Schaltung eines umsteuerbaren Motors M dargestellt. Ein Mikroprozessor MP legt alternierend die Spulen der Umschaltrelais R3 und R4 an Spannung. In der gezeichneten Ruhestellung schließen die Kontakte r3 und r4 die Wicklung des Motors M kurz. Wird das Relais R3 umgeschaltet, liegt die Motorklemme ml über den Vorwiderstand RV am Pluspol, die Klemme m2 am Minuspol.In FIG. 4, the circuit of a reversible motor M is shown. A microprocessor MP alternately applies voltage to the coils of the switching relays R3 and R4. In the drawn rest position, contacts r3 and r4 short-circuit the motor M winding. If the relay R3 is switched over, the motor terminal ml is connected to the positive pole via the series resistor RV, the terminal m2 to the negative pole.

Mit entsprechender Zeitverzögerung wird dann über den Transistor Tl der Vorwiderstand RV kurzgeschlossen und der Motor M liegt an der vollen Batteriespannung. Er läuft mit seinem Anlaufstrom an, wobei dieser Wert schnell auf den normalen Laststrom zurückgeht.With a corresponding time delay, the series resistor is then switched over the transistor T1 RV short-circuited and the motor M is at full battery voltage. He runs with its starting current, which value quickly drops to the normal load current declining.

Um die Motordrehrichtung zu ändern, wird zunächst das Relais R 3 und der Transistor T1 abgeschaltet. Mit dem Rückfall des Kontaktes r3 in die gezeichnete Stellung wird der Motor infolge des Kurzschlusses an seiner Wicklung schnell abgebremst. Wenn der Transistor T1 noch kurz vor dem Relais R3 abgeschaltet wird, kann sich infolge des parallel liegenden Vorwiderstandes RV keine induktivitätsbedingte Abschaltspannung aufbauen. Auch die nachfolgende völlige Unterbrechung des Stromkreises durch das Umschalten des Kontaktes r3 löst keinen störenden Abschaltlichtbogen aus, weil der Strom bereits vorher stark reduziert wurde.To change the direction of motor rotation, the relay R 3 and the transistor T1 off. When the contact r3 falls back into the drawn position, the Motor quickly decelerated due to the short circuit on its winding. If the Transistor T1 is switched off shortly before relay R3, can result from parallel series resistor RV no cut-off voltage due to inductance build up. The subsequent complete interruption of the circuit by the Switching over contact r3 does not trigger a disruptive shutdown arc because of the current has already been greatly reduced.

Um den Motor M in Gegenrichtung zu starten, wird das Relais R4 erregt und der Transistor T1 verzögert durchgeschaltet. Die Motorklemme m2 liegt dann am Pluspol, m1 am Minuspol.In order to start the motor M in the opposite direction, the relay R4 is energized and the Transistor T1 switched through with a delay. The motor terminal m2 is then on the positive pole, m1 at the negative pole.

In Fig. 5 sind die Strom- und Spannungsverläufe der Schaltung nach Fig. 1 aufgezeichnet. Die Kurve 1 stellt die Spannung U dar, die im Zeitpunkt t1 durch den Kontakt K zugeschaltet und im Zeitpunkt t5 ausgeschaltet wird.In FIG. 5, the current and voltage curves 1, the circuit of FIG. Recorded. Curve 1 represents the voltage U, which is switched on by contact K at time t1 and switched off at time t5.

Die Kurve 2 zeigt die Erregerspannung an der Schaltvorrichtung 5 an.Curve 2 shows the excitation voltage at switching device 5 .

Der Motorstrom J wird durch die Kurve 3 abgebildet.The motor current J is represented by curve 3 .

Wenn im Zeitpunkt t1 der Kontakt K geschlossen wird, steigt die Spannung U auf den Sollwert an. Zugleich fließt ein bei hohem Vorwiderstand geringer Motorstrom J1. If the contact K is closed at the time t1, the voltage U rises to Setpoint. At the same time, a low motor current J1 flows with a high series resistance.  

Beim Schließen des Kontaktes s1 zum Zeitpunkt t2 geht der Strom J steil nach oben, erreicht ein Maximum Jmax und fällt dann zum Zeitpunkt t3 auf den normalen Laststrom JL zurück. Wenn zum Zeitpunkt t4 der Kontakt s1 öffnet, fällt der Strom auf den Wert J1 zurück.When contact s1 closes at time t2, current J goes up steeply, reaches a maximum Jmax and then falls to the normal load current at time t3 JL back. If the contact s1 opens at the time t4, the current drops to the value J1 back.

Dieser Wert könnte aber durch Verkleinerung des Vorwiderstandes RV auch leicht verdoppelt werden.However, this value could also be slightly reduced by reducing the series resistor RV be doubled.

Zum Zeitpunkt t5 öffnet der Kontakt K und der Strom J geht auf Null zurück. Die leicht zitternde Grundlinie bei allen Kurven ist durch die Art der Messtechnik bedingt.At time t5, contact K opens and current J returns to zero. The easy one trembling baseline for all curves is due to the type of measurement technology.

Wenn man das Strom und Spannungs-Zeit-Diagramm nach Fig. 5 zeitlich stärker auflöst, gelangt man zu Fig. 6.If the current and voltage-time diagram according to FIG. 5 is resolved more temporally, one arrives at FIG. 6.

Die Spannungskurve 1 zeigt ab dem Zeitpunkt t1 einige starke Schwankungen von Null auf Sollwert, die durch das Prellen des Kontaktes K ausgelöst werden. Dieser Schwankungszeitraum ist aber kleiner als eine Millisekunde. Nach dem Zeitpunkt t2 kann man an der Kurve 3 Schwankungen durch das Prellen des Kontaktes s1 feststellen. From time t1, the voltage curve 1 shows some strong fluctuations from zero to the desired value, which are triggered by the bouncing of the contact K. However, this fluctuation period is less than a millisecond. After time t2, fluctuations can be determined on curve 3 due to the bouncing of contact s1.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

B Gleichspannungsquelle
M Motor
m1, m2 Motorklemmen
K Kontakt
S Schaltvorrichtung
s1 Kontakt der Schaltvorrichtung
T Zeitglied
RV Vorwiderstand
MP Mikroprozessor
R1, R2 Relais
r1, r2 Kontakte der Relais
T1 Transistor
R3, R4 Umschaltrelais
r3, r4 Kontakte der Umschaltrelais
B DC voltage source
M engine
m1, m2 motor terminals
K contact
S switching device
s1 contact of the switching device
T timer
RV series resistor
MP microprocessor
R1, R2 relays
r1, r2 relay contacts
T1 transistor
R3, R4 changeover relays
r3, r4 contacts of the switching relay

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Reduzierung des Kontaktstromes während der Prellzeit des Kontaktes einer Schaltvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit dem zu schützenden Kontakt (K) ein Vorwiderstand (RV) geschaltet ist, der den Einschaltstrom aufnimmt und in der Höhe reduziert, bis eine zum Vorwiderstand (RV) parallel liegende Schaltvorrichtung (S, s1) nach einer Mindestverzögerungszeit anspricht, den Vorwiderstand (RV) kurzschließt und den normalen Betriebsstrom übernimmt.1. Circuit arrangement for reducing the contact current during the bounce time of the contact of a switching device, characterized in that a series resistor (RV) is connected in series with the contact to be protected (RV), which absorbs the inrush current and reduces its height until one Series resistor (RV) parallel switching device (S, s1) responds after a minimum delay time, shorts the series resistor (RV) and takes over the normal operating current. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (S) durch ein Zeitglied (T) verzögert angesteuert wird.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that that the switching device (S) is controlled with a delay by a timer (T). 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltvorrichtung ein Mikroprozessor (MP) dient, der über einen unverzögerten Ausgang ein Relais (R1) einschaltet, das den Motor (M) über den Vorwiderstand (RV) speist und über einen verzögerten Ausgang ein Relais (R2) schaltet, das den Vorwiderstand (RV) kurzschließt.3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that serves as a switching device, a microprocessor (MP) that has an instantaneous Output switches on a relay (R1) that connects the motor (M) via the series resistor (RV) feeds and via a delayed output switches a relay (R2) that switches the series resistor (RV) shorts. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltvorrichtung ein Mikroprozessor (MP) dient, der den Vorwiderstand (RV) über ein Relais (R1) sofort einschaltet und diesen Vorwiderstand (RV) über einen Schalttransistor (T1) zeitverzögert kurzschließt.4. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a microprocessor (MP) is used as the switching device, the series resistor (RV) switches on immediately via a relay (R1) and this series resistor (RV) via a Switching transistor (T1) short-circuits with a time delay. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehrichtungsumsteuerung eines Motors (M) ein Mikroprozessor (MP) zwei Umschaltrelais (R3, R4) steuert, deren Umschaltkontakte (r3, r4) im Ruhezustand einen Motor (M) kurzschließen und mit dem einen Pol der Spannungsquelle (B) verbunden sind, während die offenen Elemente der Umschaltkontakte über einen Vorwiderstand (RV) und einen dazu parallel liegenden Schalter (T1) mit dem anderen Pol der Spannungsquelle (B) verbunden sind, dass zur Einschaltung des Motors (M) ein Relais (z. B. R3) umgeschaltet wird und dass der Vorwiderstand (RV) zeitverzögert mit Hilfe des parallel liegenden Schalters (T1) kurzgeschlossen wird.5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a microprocessor (MP) two for reversing the direction of rotation of a motor (M) Changeover relay (R3, R4) controls whose changeover contacts (r3, r4) one in the idle state Short-circuit the motor (M) and are connected to one pole of the voltage source (B), while the open elements of the changeover contacts via a series resistor (RV) and a switch (T1) in parallel with the other pole of the voltage source (B) are connected, that a relay (e.g. R3) is switched over to switch on the motor (M) and that the series resistor (RV) is delayed with the help of the parallel switch (T1) is short-circuited.
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