DE10361549A1 - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bogenentladungs-Schutzvorrichtung, um das Auftreten einer Bogenentladung, hervorgerufen durch abnormale Bedingungen, zu verhindern, wobei die Schutzvorrichtung eine Elektrodenscheibe beinhaltet, um Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale, die von einer Spannungsboosteinheit in dem Hochspannungs-Ausgabebereich abgegeben werden, zu absorbieren. Eine Spannungsschalteinheit empfängt die von der Elektrodenscheibe absorbierten Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale und wandelt diese in Niederspannung-Lichtbogenentladungssignale. Eine Gleichrichtereinheit empfängt die Niederspannungs-Lichtbogenentladungssignale und richtet diese gleich und gibt eine Lichtbogenhybridschwingung aus. Eine Trigger- bzw. Auslöseeinheit detektiert die Lichtbogenhybridschwingung und gibt ein Auslösesignal aus, um einen Bereich der Steuereinheit oder Treibereinheit abzubrechen und so zu verhindern, dass eine Bogenentladung zu einer Beschädigung der umgebenden Elemente führt, die von einer Wärmeanreicherung oder von Funken herrührt.
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Verwendung für den Fall, dass sich eine Bogenentladung in einem Hochspannungs-Ausgabebereich mit abnormen Bedingungen ereignet hat, um für eine Detektion zu sorgen und ein Steuersignal auszulösen, um die Ausgabe von Hochspannung in dem Hochspannungs-Ausgabebereich zu beenden.
- Hintergrund der Erfindung
- Eine „Bogen- bzw. Gasentladung" ist ein Effekt, der sich zwischen zwei Elektroden zuträgt, zwischen denen eine Hochspannung anliegt. Wenn die beiden Elektroden allmählich und nahe zusammen auf einen gewählten Abstand gebracht werden, kommt es zwischen diesen zu einem bogenähnlichen elektrischen Funken, der in gewisser Weise ähnlich einem Blitz bei einem Gewitter ist. Der Blitz kommt und verschwindet jedoch in einem Lichtblitz, wohingegen der Funke zwischen den beiden Elektroden während einer langen Zeitdauer bestehen und zu einer Wärmeanreicherung führen kann.
- In der Elektronik zerstört eine Bogenentladung häufig die Funktion von elektronischen Elementen und führt diese zu einer Fehlfunktion von elektronischen Schaltungen. In ersten Situationen wird diese sogar für die menschliche Sicherheit gefährlich. Beispielsweise kommt es bei herkömmlichen Hochspannungs-Ausgangslasten (beispielsweise einer Kaltkathodenröhre, einem Generator von negativen Ionen, Fernseh-Kathodenstrahlröhre und dergleichen) zu einer Bogenentladung, bevor die Last die Hochspannung empfängt, wenn der Kontakt schlecht ist, die Umgebungstemperatur und -Luftfeuchte schwankt oder gewisse Elemente der elektronischen Schaltungen aufgebrochen oder beschädigt sind. Deshalb spielt für Forschung und Entwicklung in der Industrie die Frage eine Schlüsselrolle, wie man eine Bogenentladungs-Schutzvorrichtung an der Stelle der Potential-Bogenentladung vorsehen kann um zu verhindern, dass das Lastgerät beschädigt wird. Die derzeit allgemein verwendeten Designs und Bauelemente für Bogenentladungs-Schutzvorrichtungen, beispielsweise Spannungsbooster bzw. -Hochtreiber (voltage boosting device) bei dem herkömmlichen Hochspannungs-Transformator und bei einem Keramik-Transformator und piezoelektrischen Transformator und dergleichen, sind wie folgt ausgestaltet:
Die1 zeigt einen allgemein üblichen Hochspannungs-Transformator bzw. Keramik-Transformator. Dieser weist eine konstante Betriebsfrequenz auf. Eine Steuereinheit11 stellt eine Steuerfrequenz bereit. Unter dem Wechselabgleich dieser zwei Frequenzen wird während der Wechselperiode eine hohe Gleichspannung erzeugt. Eine Spannungshochtreibeinheit, nachfolgend Spannungsboosteinheit13 , weist ein Ausgangsende auf, das aufgrund eines schlechten Kontakts oder aus anderen unbekannten Gründen eine Bruchstelle oder einem schmalen Spalt ausbilden könnte. Eine Hochspannungs-Bogenentladung zieht die Lebensdauer der umgebenden Elemente unmittelbar in Mitleidenschaft. Diese zieht indirekt auch die Last14 in Mitleidenschaft. Deshalb ist für gewöhnlich eine elektrische Isolationsfehlerschutzvorrichtung30 vorgesehen. Die elektrische Isolationsfehlerschutzvorrichtung30 beinhaltet einen elektrischen Isolationsfehlerschalter, um vor einem Kurzschluss zu schützen, der auftritt, wenn die Bogenentladung stattfindet. Die elektrische Isolationsfehlerschutzvorrichtung30 wird für gewöhnlich nur bei kleinen mechanischen Geräten verwendet, bei denen weniger Erschütterungen auftreten um zu gewährleisten, dass eine angemessene Bogen- bzw. Lichtbogenlänge in der Austrittsrichtung des Lichtbogens ausgespart ist. Die elektrische Isolationsfehlerschutzvorrichtung30 ist nicht dazu geeignet, um an derjenigen Stelle angebracht zu werden, wo mechanische Erschütterungen groß sind oder ein wechselndes Magnetfeld stark ist. Außerdem muss die Anordnung der elektrischen Isolationsfehlerschutzvorrichtung30 auch die Beschädigungen berücksichtigen, die von einer Feuchtigkeit oder von Staub herrühren. Folglich müssen zusätzliche Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Somit ist die Praktikabilität niedriger und sind die Einbaukosten höher. All dies verringert die Wirtschaftlichkeit. - Wie in der
2 gezeigt, besteht eine Spannungsboosteinheit13 aus einem Transformator, der aus piezoelektrischen Platten bzw. Scheiben besteht. Die Spannungsboosteinheit13 beinhaltet einen Transformator (piezoelektrische Platten bzw. Scheiben)131 und eine Schaltungsplatine133 , die über einen Anschluss bzw. eine Leitung132 miteinander verbunden sind. Es gibt eine Verbindungsstelle134 zwischen der Schaltungsplatine133 und einer Last14 . Man nehme als Beispiel eine Wechselrichter- bzw. Invertiererschaltung an. Die Faktoren, die zur Erzeugung einer Bogenentladung beitragen, beinhalten (1) Temperatur- oder Luftfeuchteschwankungen, die zum Aufbrechen oder zu einem schlechten Kontakt auf dem Anschluss bzw. der Verbindungsleitung132 führen, (2) eine Alterung oder ein Ausfall des Transformators (der piezoelektrischen Scheiben), (3) eine Alterung oder eine unsachgemäße Verwendung der Verbindungsstelle134 , was zu einem Spalt zwischen dem männlichen Stecker und der weiblichen Aufnahme führt, (4) ein Ausfall bzw. Zusammenbruch der Last14 . Sämtliche vorgenannten Faktoren könnten ein Bogen- bzw. - Lichtbogenentladungssignal erzeugen, wenn eine Hochspannung an dem Ausgangsende ausgegeben wird. In der
2 ist eine Bogenschaltungsvorrichtung40 vorgesehen, um das Bogenentladungssignal zu empfangen und an ein geerdetes Ende weiterzuleiten. Eine solche Vorrichtung kann jedoch nicht das gesamte Bogenentladungssignal beseitigen. Folglich steuert diese nicht den Betrieb der gesamten Schaltung. Die Spannungsboosteinheit13 weist aufgrund eines schlechten Kontakts oder einer Temperatur- oder Luftfeuchteschwankung Bogenentladungs-Restsignale auf. Außerdem weist die Schaltungsplatine133 , die mit dem Transformator (den piezoelektrischen Platten) verbunden ist, während des Ableitens auf die Erdung dennoch aufgrund einer kontinuierlichen Spannungserhöhung und einer Entladung des Transformators (der piezoelektrischen Platten) eine Bogenentladung auf. Als Folge reichert sich Wärme an oder treten Funken auf und kann ein Durchbrennen erfolgen. - Wie vorstehend erörtert, kann eine herkömmliche Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nicht eine Bogenentladung nicht vollständig verhindern und wird diese vielerlei Beschränkungen unterliegen. Ihr Einsatzbereich ist deshalb begrenzt.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Deshalb ist es die Hauptaufgabe der Erfindung, eine vollständige Bogenentladungs-Schutzvorrichtung bereitzustellen, die die gesamte Schaltung zum Stillstand bringt, wenn instabile Bedingungen auftreten um so zu verhindern, dass Schaltungsplatinen oder andere elektronische Elemente aufgrund einer Bogenentladung beschädigt werden, und um das Auftreten einer Bogenentladung wirkungsvoll zu verhindern.
- Erfindungsgemäß wird hauptsächlich detektiert und ein Steuersignal ausgelöst, um eine Ausgabe von Hochspannung in einem Hochspannungs-Ausgabebereich zu beenden, wenn abnormale Bedingungen in dem Hochspannungsbereich auftreten, die ansonsten eine Bogenentladung erzeugen könnten.
- Die Bogenentladungs-Schutzvorrichtung verwendet eine Elektrodenscheibe bzw. ein Elektrodenblech, um Hochspannungs-Bogenentladungssignale zu absorbieren, die von einer Spannungsboosteinheit bzw. Spannungstreibereinheit in dem Hochspannungs-Ausgabebereich abgegeben werden; dann empfängt eine Spannungsschalteinheit die Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale, die von der Elektrodenscheibe absorbiert wurden, und wandelt diese in Niederspannungs-Lichtbogenentladungssignale; eine Gleichrichtungseinheit empfängt die Niederspannungs-Lichtbogenentladungssignale und richtet diese gleich und gibt eine Lichtbogenhybridschwingung aus (arc hybrid wave); eine Trigger- bzw. Auslöseeinheit detektiert die Lichtbogenhybridschwingung und gibt ein Trigger- bzw. Auslösesignal aus, um den Betrieb der Steuereinheit oder der Treibereinheit zu beenden, um auf diese Weise zu verhindern, dass eine Bogenentladung zu einer Beschädigung der umgebenden Elemente führt, die von einer Anreichung von Wärme oder von Funken herrührt.
- Die vorgenannten und auch weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung, die Bezug nimmt auf die beigefügten Zeichnungen, besser ersichtlich werden.
- Kurzbeschreibung der Figuren
-
1 ist ein strukturelles Blockschaltbild einer herkömmichen elektrischen Isolationsfehlerschutzvorrichtung. -
2 ist ein strukturelles Blockschaltbild einer herkömmlichen Lichtbogenschaltvorrichtung. -
3 ist ein Schaltungs-Blockschaltbild gemäß der Erfindung. -
4 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration der Elektrodenscheibe gemäß der Erfindung. -
5 ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Konfiguration der Elektrodenscheibe gemäß der Erfindung. - Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
- Wie in der
3 gezeigt, soll die Bogenentladungs-Schutzvorrichtung20 gemäß der Erfindung das Auftreten einer Bogenentladung in einem Hochspannungs-Ausgabebereich verhindern, die durch abnormale Bedingungen hervorgerufen wird. Der Hochspannungs-Ausgabebereich beinhaltet eine Spannungsversorgungseinheit10 , um für eine Spannungsversorgung zu sorgen, eine Steuereinheit11 , um Spannungsverteilungssignale bereitzustellen, eine Treibereinheit12 , um die Versorgungsspannung und die Spannungsverteilungssignale zu empfangen und eine Spannung zu wandeln, eine Spannungsboosteinheit bzw. Spannungstreiber- bzw. -verstärkereinheit13 , um die gewandelte Spannung zu empfangen und in eine Hochspannung umzuwandeln, sowie eine Last14 , die mit einem Hochspannungs-Ausgabeende der Spannungsboosteinheit13 verbindet (die Last14 ist ein elektronisches Produkt bzw. Gerät, das von einer Hochspannung betrieben wird, beispielsweise eine Kaltkathodenröhre, ein Generator von negativen Ionen und dergleichen). (Die Prinzipien der Eingabe einer Versorgungsspannung, einer Spannungsverteilung, einer Spannungswandlung und eines Treibens mit Hochspannung stellen Stand der Technik dar und bilden keinen wesentlichen Teil der Erfindung, so dass weitere Einzelheiten nicht angeführt werden sollen). - Die Bogenentladungs-Schutzvorrichtung
20 gemäß der Erfindung beinhaltet im Wesentlichen eine Elektrodenscheibe21 , um Hochspannungs-Bogenentladungssignale, die von der Spannungsboosteinheit13 abgegeben werden, zu absorbieren. Die Elektrodenscheibe21 ist eine Kupferfolie oder ein Leiter, die bzw. der einen elektrischen Lichtbogen absorbieren kann. Die Elektrodenscheibe21 befindet sich dort in dem Hochspannungs-Ausgabebereich, wo es wahrscheinlich ist, dass eine Bogenentladung stattfindet. Erfindungsgemäß beinhaltet die Spannungsboosteinheit13 einen Transformator131 und eine Schaltungsplatine133 . Die Punkte bzw. Stellen, wo die Bogenentladung wahrscheinlich auftritt, beinhalten den Transformator131 (für den Fall, dass dieser Risse aufweist), eine Leitung bzw. Verbindung132 zwischen dem Transformator131 und der Schaltungsplatine133 (falls die Leitung132 schon älter ist und Risse aufweist, die durch Termperatur- und Luftfeuchteschwankungen hervorgerufen werden), eine Verbindungsstelle134 der Schaltungsplatine133 und der Last14 (aufgrund eines Alterungsprozesses oder eines unangemessenen Einsatzes der Verbindungsstelle134 , so dass ein Spalt zwischen dem männlichen Stecker und der weiblichen Aufnahme ausgebildet wird). Eine Spannungsschalteinheit22 , die aus Spannungsschalt-Schaltungen besteht, die aus einer Ansammlung von Impedanz-Elementen ausgebildet ist, ist vorgesehen, um die Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale zu empfangen, die von der Elektrodenscheibe21 absorbiert werden, und um diese in ein Niederspannungs-Lichtbogenentladungssignal zu wandeln. Gleichzeitig ist eine Gleichrichtereinheit23 vorgesehen, die aus Dioden und Kondensatoren besteht, um das Niederspannungs-Lichtbogenentladungssignal der Spannungsschalteinheit22 zu empfangen und gleichzurichten und eine Lichtbogenhybridschwingung auszugeben. Die Lichtbogenhybridschwingung wird von einer Trigger- bzw. Auslöseeinheit24 detektiert, die ihrerseits ein Trigger- bzw. Auslösesignal ausgibt, um den Betrieb der Steuereinheit11 oder der Treibereinheit12 zu beenden, um so das Auftreten einer Bogenentladung zu verhindern. Die Auslöseeinheit24 ist ein Silizium-Gleichrichter oder ein Flip-Flop. - An dem vorstehend beschriebenen Schaltungsprozess kann man ersehen, dass für den Fall, dass eine Beschädigung oder ein Bruch an irgendeiner Stelle in dem Hochspannungs-Ausgabebereich auftritt und die Last
14 nicht von der Hochspannung betrieben werden kann und dass eine Bogenentladung auftritt, die Elektrodenscheibe21 den Lichtbogen absorbiert, die Spannungsschalteinheit22 die Spannung schaltet, die Gleichrichtereinheit23 zu einer Lichtbogen-Mischschwingung gleichrichtet und die Auslöseeinheit24 detektiert und ein Auslösesignal ausgibt, um den Betrieb der Steuereinheit11 oder der Treibereinheit12 zu beenden. Der gesamte Hochspannungs-Ausgabebereich beendet sofort die Hochspannungswandlung und -Ausgabe. Deshalb tritt keine Bogenentladung auf. Und es gibt keine Wärmeanhäufung oder Funken und es kann vermieden werden, dass die umgebenden Elemente beschädigt werden. Und die Gefahr eines Ausbrennens kann ebenfalls vermieden werden. - Die
4 zeigt die Konfiguration der Elektrodenscheibe21 . Als Ziel einer Bogenentladung, die durch Risse in dem Transformator131 hervorgerufen wird, kann die Elektrodenscheibe21 gemäß der Erfindung an dem unteren Ende des Hochspannungs-Ausgabeendes des Transformators131 angeordnet sein und/oder kann diese an der Oberfläche der Schaltungsplatine133 anhaften. Es sei angemerkt, dass die Elektrodenscheibe21 um mehr als einen Lichtbogen-Abstand zu dem Transformator131 beabstandet angeordnet sein muss. Wenn das Hochspannungs-Ausgabeende des Transformators131 eine Bogenentladung erzeugt, wird das Lichtbogensignal von der Elektrodenscheibe21 absorbiert und an eine Schaltung, die der Spannungsschalteinheit22 entspricht, weitergeleitet, um den Schutzeffekt zu erzielen. - Die
5 zeigt eine andere Ausführungsform für die Konfiguration der Elektrodenscheibe21 . Diese ist ebenfalls das Ziel einer Bogenentladung, die aufgrund von Rissen des Transformators131 auftreten kann. Der Unterschied zur4 besteht darin, dass der Transformator131 von einer Abdeckung50 bedeckt ist. Die Elektrodenscheibe21 befindet sich an einer Innenwand der Abdeckung50 . Auch die Elektrodenscheibe21 muss um mehr als einen Lichtbogen(entladungs-)abstand beabstandet zu dem Transformator131 angeordnet sein. Wenn das Hochspannungs-Ausgabeende des Transformators131 eine Bogenentladung erzeugt, wird das Lichtbogensignal bzw. Lichtbogenentladungssignal von der Elektrodenscheibe21 absorbiert und an eine Schaltung, die der Spannungsschalteinheit22 entspricht, weitergeleitet, um den Schutzeffekt zu erzielen. - Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Bogenentladungs-Schutzvorrichtung, um das Auftreten einer Bogenentladung, hervorgerufen durch abnormale Bedingungen, zu verhindern, wobei die Schutzvorrichtung eine Elektrodenscheibe beinhaltet, um Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale, die von einer Spannungsboosteinheit in dem Hochspannungs-Ausgabebereich abgegeben werden, zu absorbieren. Eine Spannungsschalteinheit empfängt die von der Elektrodenscheibe absorbierten Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale und wandelt diese in Niederspannungs-Lichtbogenentladungssignale. Eine Gleichrichtereinheit empfängt die Niederspannungs-Lichtbogenentladungssignale und richtet diese gleich und gibt eine Lichtbogenhybridschwingung aus. Eine Trigger- bzw. Auslöseeinheit detektiert die Lichtbogenhybridschwingung und gibt ein Auslösesignal aus, um einen Betrieb der Steuereinheit oder Treibereinheit abzubrechen und so zu verhindern, dass eine Bogenentladung zu einer Beschädigung der umgebenden Elemente führt, die von einer Wärmeanreicherung oder von Funken herrührt.
Claims (10)
- Bogenentladungs-Schutzvorrichtung, um das Auftreten einer Bogenentladung in einem Hochspannungs-Ausgabebereich, hervorgerufen durch abnorme Bedingungen, zu verhindern, wobei der Hochspannungs-Ausgabebereich eine Spannungsversorgungseinheit (
10 ) zum Bereitstellen einer Eingangs-Versorgungsspannung, eine Steuereinheit (11 ) zum Bereitstellen von Spannungsverteilungssignalen, eine Treibereinheit (12 ) zum Empfangen der Versorgungsspannung und der Spannungsverteilungssignale und zum Wandeln einer Spannung, eine Spannungsboosteinheit bzw. Spannungstreibereinheit (13 ) zum Empfangen der gewandelten Spannung und zum Wandeln in eine Hochspannung sowie eine Last (14 ) beinhaltet, die mit einem Hochspannungs-Ausgangsende der Spannungsboosteinheit (13 ) verbindet, welche Bogenentladungs-Schutzvorrichtung (20 ) umfasst: eine Elektrodenscheibe bzw. ein Elektrodenblech (21 ), um Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale zu absorbieren, die von der Spannungsboosteinheit abgegeben werden; eine Spannungsschalteinheit (22 ), um Hochspannungs-Lichtbogenentladungssignale, die von der Elektrodenscheibe bzw. dem Elektrodenblech (21 ) absorbiert werden, zu empfangen und diese in Niederspannungs-Bogenentladungssignale zu wandeln; eine Gleichrichtereinheit (23 ), um die Niederspannungs-Bogenentladungssignale der Spannungsschalteinheit (22 ) zu empfangen und diese gleichzurichten und eine Lichtbogenhybridschwingung bzw. ein Lichtbogenhybridsignal auszugeben; und eine Trigger- bzw. Auslöseeinheit (24 ), um die Lichtbogenhybridschwingung zu detektieren und ein Trigger- bzw. Auslösesignal auszugeben, um einen Betrieb der Steuereinheit (11 ) oder der Treibereinheit (12 ) zu beenden, um das Auftreten einer Bogenentladung zu verhindern. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektrodenscheibe (
21 ) eine Kupferfolie oder ein Leiter ist, mit der Eigenschaft, einen elektrischen Lichtbogen zu absorbieren. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spannungsschalteinheit (
22 ) eine Spannungsschalt-Schaltung beinhaltet, die aus einer Mehrzahl von Impedanzelementen gebildet ist. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Gleichrichtereinheit (
23 ) eine Gleichrichterschaltung beinhaltet, die aus Dioden und Kondensatoren gebildet ist. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Trigger- bzw. Auslöseeinheit (
24 ) ein Silizium-Gleichrichter ist. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Trigger- bzw. Auslöseeinheit (
24 ) ein Flip-Flop ist. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannungsboosteinheit bzw. Spannungstreiber- bzw. Spannungsverstärkereinheit (
13 ) einen Transformator (131 ) und eine Schaltungsplatine (133 ) beinhaltet, wobei die Elektrodenscheibe (21 ) an einer Stelle in Entsprechung zu dem Transformator (131 ) angeordnet ist. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Spannungsboosteinheit bzw. Spannungstreiber- bzw. Spannungsverstärkereinheit (
13 ) einen Transformator (131 ) und eine Schaltungsplatine (133 ) beinhaltet, wobei die Elektrodenscheibe (21 ) auf einer Verbindung bzw. Leitung (132 ) zwischen dem Transformator und der Schaltungsplatine angeordnet ist bzw. ansetzt. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Spannungsboosteinheit bzw. Spannungstreiber- bzw. Spannungsverstärkereinheit (
13 ) einen Transformator (131 ) und eine Schaltungsplatine (133 ) beinhaltet, wobei die Elektrodenscheibe (21 ) an einer Verbindungsstelle (134 ) zwischen der Schaltungsplatine und der Last (14 ) angeordnet ist bzw. ansetzt. - Bogenentladungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der Transformator (
131 ) von einer Abdeckung (50 ) bedeckt ist, wobei die Elektrodenscheibe (21 ) auf einer Innenwand der Abdeckung angeordnet ist.
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