DE1283948B - Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stromflusswinkels eines Halbleiterschalters - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stromflusswinkels eines Halbleiterschalters

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DE1283948B
DE1283948B DEC33510A DEC0033510A DE1283948B DE 1283948 B DE1283948 B DE 1283948B DE C33510 A DEC33510 A DE C33510A DE C0033510 A DEC0033510 A DE C0033510A DE 1283948 B DE1283948 B DE 1283948B
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Description

Steuerung sowohl von Halbleiterschaltern mit thyratronartigem Verhalten als auch von zünd- und sperrbaren symmetrischen Halbleiterschaltern geeignet ist. Nach der Erfindung wird dies bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß zwei Potentiometer vorgesehen sind, die über Gleichrichter mit den Klemmen der Wechselspannungsquelle verbunden sind, daß die Gleich-
Alle diese bekannten Steuerschaltungen erfordern einen beträchtlichen Schaltungsaufwand, der im allgemeinen noch nahezu verdoppelt werden müßte, ehern verwendet, weil es bei Steuerung durch Ver- io wenn nicht nur Zündimpulse, sondern auch die Sperränderung des Stromflußwinkels möglich ist, die Ver- impulse für die zuvor erwähnten, einem älteren Vorluste gering zu halten. Die bekanntesten hierzu ver- schlag entsprechenden symmetrischen Halbleiterwendeten Halbleiterschalter sind die steuerbaren schalter erzeugt werden müßten.
Siliziumgleichrichter, die ähnlich wie ein Thyratron Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer
durch Anlegen eines Zündimpulses an eine Steuer- 15 Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art, elektrode geöffnet werden und sich beim Nulldurch- die einen sehr einfachen Aufbau hat und für die gang des Stromes selbst sperren. Da diese steuerbaren Siliziumgleichrichter unsymmetrisch, d. h. nur
mit einer Stromdurchlaßrichtung arbeiten können,
werden sie in Zweiwegeschaltung oder Antiparallel- 20
schaltung angeordnet, wenn beide Halbwellen einer
Wechselspannung ausgenutzt werden sollen.
Es sind auch bereits symmetrische Halbleiterschalter mit fünf Schichten abwechselnden Leitungstyps vorgeschlagen worden, die zwei stark dotierte 25 richter der beiden Potentiometer entgegengesetzt geäußere p-Schichten enthalten, zwischen denen zwei polt sind, daß die Abgriffe der Potentiometer über η-Schichten mit mittlerer Dotierung liegen, die eine Serienschaltung aus einem Widerstand und einer wiederum eine p-Schicht mit hohem spezifischem Zenerdiode an eine der Klemmen der Wechselspan-Widerstand einschließen. Ein solcher Halbleiterschal- nungsquelle angeschlossen sind und daß von der am ter enthält ferner zwei Anschlüsse an den beiden 30 Widerstand abfallenden Spannung die dem Transforäußeren p-Schichten sowie einen an der mittleren mator über eine Primärwicklung zugeführte Steuerp-Schicht angebrachten Anschluß. Mit den an den spannung für den Halbleiterschalter abgeleitet ist.
äußeren p-Schichten angebrachten Anschlüssen ist Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
der Halbleiterschalter zwischen einer Wechselspan- wird die bekannte Eigenschaft der Zenerdioden ausnungsquelle und einem Verbraucher anzuschließen, 35 genutzt, daß diese bei Beaufschlagung in der Sperrwährend der an der mittleren p-Schicht angebrachte richtung erst bei Erreichen einer bestimmten Span-Anschluß als Steuerelektrode dient. nung stromdurchlässig werden. Das Erreichen dieser Ein solcher symmetrischer Halbleiterschalter hat Spannung innerhalb einer Halbwelle der zu steuerndie Eigenschaft, daß er durch einen an die Steuer- den Wechselspannung hängt von der Einstellung der elektrode angelegten Impuls positiver Polarität für 40 Potentiometer ab. An dem in Serie mit der Zenereinen Strom über die beiden äußeren Anschlüsse un- diode liegenden Widerstand erscheint eine Spannung
erst von dem Zeitpunkt an, in welchem die Zenerdiode durchlässig wird. Die Lage dieses Zeitpunkts innerhalb jeder Halbwelle ist daher mit Hilfe der 45 Potentiometereinstellung veränderlich. Das Erscheinen der Spannung an dem Widerstand kann beispielsweise zum Zünden des Halbleiterschalters benutzt werden. Der Zündzeitpunkt und somit auch der Stromflußwinkel hängt also von der Potentiometerwellen der zu steuernden Wechselspannung veränder- 50 einstellung ab.
lieh ist, weil dadurch der Stromflußwinkel bestimmt Wenn die an das Potentiometer angelegte Spanwird. Die meisten bekannten Schaltungen dieser Art nung abnimmt, wird die Zenerdiode beim Unterenthalten daher einen einstellbaren Phasenschieber, schreiten eines bestimmten Schwellwerts wieder spermit welchem die Phasenlage der einem Impulsgene- rend, so daß in diesem Zeitpunkt die Spannung an rator zugeführten Auslösespannung verändert wird. 55 dem Widerstand verschwindet. Auch dieser Zeitpunkt Auf ähnlichem Prinzip beruhen andere bekannte hängt von der Potentiometereinstellung ab. Das VerSchaltungen, bei denen die Zeitkonstante eines Lade- schwinden der Spannung kann beispielsweise zur kreises veränderlich ist, dessen Ladespannung bei Er- Sperrung eines symmetrischen Halbleiterschalters der reichen eines bestimmten Schwellwerts den Impuls- zuvor erwähnten Art benutzt werden. Der Stromflußgenerator auslöst. Der Impulsgenerator ist meist eine 60 winkel entspricht dann dem Zeitintervall zwischen monostabile Kippschaltung. Um die Auslösezeit- den beiden Zeitpunkten, in denen die Zenerdiode punkte unabhängig von Speisespannungsschwankun- durchlässig bzw. gesperrt wird.
abhängig von dessen Polarität, durchlässig wird und durch einen Impuls entgegengesetzter Polarität wieder gesperrt werden kann; er sperrt sich außerdem auch von selbst beim Nulldurchgang des Stroms.
Es sind bereits zahlreiche Schaltungen zur Erzeugung der Zündimpulse für steuerbare Siliziumgleichrichter bekannt. Diese Schaltungen müssen Impulse erzeugen, deren zeitliche Lage innerhalb der Halbgen zu machen, ist es auch bekannt, die Speisespannung zu stabilisieren, beispielsweise mit Hilfe von Zenerdioden.
Wegen des thyratronartigen Verhaltens der meisten bekannten Halbleiterschalter sind die bekannten Steuerschaltungen meist so ausgeführt, daß sie in
Infolge der entgegengesetzten Polung der Gleichrichter, über welche die beiden Potentiometer mit 65 den Klemmen der Wechselstromquelle verbunden sind, kommt das eine Potentiometer bei den positiven Halbwellen und das andere Potentiometer bei den negativen Halbwellen zur Wirkung.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat einen einfachen und betriebssicheren Aufbau, denn sie besteht nur aus wenigen passiven Schaltungselementen.
Eine besondere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß an jedes Potentiometer eine eigene Serienschaltung aus einer Zenerdiode und einem Widerstand angeschlossen ist.
Bei dieser Ausführungsform kommt die eine Zenerdiode bei den positiven Halbwellen und die andere Zenerdiode bei den negativen Halbwellen zur Wirkung.
In diesem Fall kann an die Klemmen jedes Widerstands eine eigene Primärwicklung des Transformators angeschlossen sein.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung besteht in diesem Fall jedoch darin, daß an die Klemmen jedes Widerstands eine weitere Serienschaltung aus einer weiteren Zenerdiode und einem weiteren Widerstand angeschlossen ist und daß an die Klemmen jeder weiteren Zenerdiode eine eigene Primärwicklung des Transformators angeschlossen ist.
Die weitere Serienschaltung ergibt die Wirkung einer Begrenzung der am ersten Widerstand abfallenden Spannung, so daß die dem Transformator zugeführte Spannung die Form einer Trapezhalbwelle hat.
Eine andere Ausführungsform besteht darin, daß zwischen jeder Klemme jedes Potentiometers und der entsprechenden Klemme der Wechselspannungsquelle ein Gleichrichter liegt, daß die Abgriffe der beiden Potentiometer mechanisch und elektrisch miteinander gekoppelt sind, daß an die beiden Abgriffe eine gemeinsame Serienschaltung aus einer Zenerdiode und einem Widerstand angeschlossen ist, daß an die Klemmen des Widerstands eine weitere Serienschaltung aus einer weiteren Zenerdiode und einem weiteren Widerstand angeschlossen ist und daß an die Klemmen der weiteren Zenerdiode die Primärwicklung des Transformators angeschlossen ist.
Bei dieser Ausführungsform werden die gleichen Zenerdioden für beide Halbwellen ausgenutzt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung erläutert. Darin zeigt
F i g. 1 einen zündbaren und sperrbaren symmetrischen Halbleiterschalter mit der zugehörigen Steueranordnung,
F i g. 2 Diagramme von Spannungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 1,
F i g. 3 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und
F i g. 4 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem zündbaren, aber nicht sperrbaren symmetrischen Halbleiterschalter.
F i g. 1 zeigt die Klemmen 1 und 2 einer Wechselspannungsquelle S sowie die Klemmen 3 und 4 eines Verbrauchers App. Zwischen dem Verbraucher App und der Wechselspannungsquelle 5 liegt eine Schaltvorrichtung/, die einen zündbaren und sperrbaren Halbleiterschalter SM enthält, der in an sich bekannter Weise aus einer Mittelschicht π des Leitfähigkeitstyps P mit großem spezifischem Widerstand besteht, die zwischen zwei η-Schichten iVl und N 2 mit mittlerer Dotierung liegt, die wiederum zwischen zwei p-Schichten Pi1 und Pi2 mit starker Dotierung liegen. Die Anschlüsse A und B des Halbleiterschalters SM sind mit den Außenschichten Pi1 und Pi2 verbunden und an die Klemmen 1 und 3 angeschaltet.
Die Schaltvorrichtung/ enthält ferner die Sekundärwicklung See eines Transformators Tr mit Differentiations- oder Hochpaßfilterwirkung, die über einen Widerstand r zwischen einer Steuerelektrode C des Halbleiterschalters SM und dem Verbindungspunkt D zwischen zwei Dioden 5 und 5' angeschlossen ist. Die Dioden 5 und 5' sind außerdem mit den Anschlüssen A und B des Halbleiterschalters SM verbunden. Zwei gleichartige Netzwerke R1 und i?2 ent-
halten jeweils ein Potentiometer 6 bzw. 6', dessen Klemmen über eine Diode 7 bzw. T mit den Klemmen 1 und 2 verbunden sind. Zwischen dem Abgriff 8 bzw. 8' des Potentiometers und dem dem Gleichrichter 7 bzw. T gegenüberliegenden Ende des Potentiometerwiderstands ist eine Serienschaltung aus einer ersten Zenerdiode 9 bzw. 9' und einem Widerstand 10 bzw. 10' angeschlossen. Mit den Klemmen dieses Widerstands 10 bzw. 10' ist eine Serienschaltung aus einem Widerstand 11 bzw. 11' und einer weiteren
ao Zenerdiode 12 bzw. 12' angeschlossen. Diese weiteren Zenerdioden sind über einen Widerstand 13 bzw. 13' mit einer ersten bzw. einer zweiten Primärwicklung P1 bzw. P2 des Transformators Tr verbunden. Die Abgriffe 8 und 8' der beiden Potentiometer 6 und 6' sind mechanisch miteinander gekoppelt, und durch Betätigung dieser Abgriffe wird die von der Quelle S zum Verbraucher App gelieferte Leistung gesteuert. Die Diagramme nach F i g. 2 zeigen die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1. Sie beziehen sich nur auf den Betrieb des Netzwerks R1, das mit der Spannungsquelle S über den Gleichrichter 7 verbunden ist, der nur die Halbwellen einer bestimmten Polarität (beispielsweise der positiven Polarität) der Spannung der Quelle 5 durchläßt. Der Betrieb des Netzwerks R2, welcher mit der Quelle S über den Gleichrichter T verbunden ist, der nur die entgegengesetzten Halbwellen der Spannung durchläßt, ist derselbe, mit dem Unterschied, daß die Polaritäten umgekehrt sind.
Das Diagramm α zeigt die zeitliche Änderung der Spannung Us an den Klemmen 1 und 2 der Spannungsquelle S.
Das Diagramm b zeigt die Änderung der Spannung ε/8 zwischen dem Abgriff 8 des Potentiometers 6 und
der Klemme 2.
Das Diagramm c zeigt die Änderung der Spannung O10 an den Klemmen des Widerstands 10. Es ist zu erkennen, daß die Spannung U10 nur während des Zeitintervalls tj-ts von Null verschieden ist, wobei die
Zeitpunkte ix und i2 zu beiden Seiten des Zeitpunkts 274 liegen und den Zeitraum begrenzen, in dem die Spannung Us größer als die Durchschlagspannung F2 der Zenerdiode 9 ist; die Spannung U10 ist gleich dem WtZF
8,
Das Diagramm d zeigt die Änderung der Spannung U12 in Trapezform an den Klemmen der Zenerdiode 12. Diese Spannung ist auf den Wert der Durchschlagspannung F/ der Zenerdiode 12 beschnitten; sie ist dann gleich dieser Durchschlagsspannung F/, die gleich der Spannung Vz sein kann.
Das Diagramme zeigt die Impulse, die an den Klemmen der Wicklung See des Transformators Tr erhalten werden. Für jede Halbwelle der Spannung Us der Quelle S erhält man ein Paar von Impulsen Z1 und z2 von entgegengesetzter Polarität. Der positive Impuls Z1 bewirkt das Zünden des Halbleiterschalters SM, während der negative Impulse z'2 dessen Sperrung hervorruft; dies bedeutet, daß der Halbleiterschalter
SM im Zeitraum zwischen den Impulsen Z1 und Z2 innerhalb einer Halbwelle der Spannung U3 der Quelle S geöffnet und während des übrigen Teils dieser Halbwelle gesperrt ist.
Wenn die Abgriffe 8, 8' der Potentiometer 6, 6' nahe bei ihrer (in F i g. 1) unteren Stellung stehen, ist zu erkennen, daß die maximale Spannung U8 zwischen den Klemmen 8 und 2 bzw. 8' und 2' gering und daher die Dauer der Spannungsimpulse U10 und Z712 klein ist, so daß die Impulse I1 und z2 nahe beieinander zu beiden Seiten des Zeitpunkts t/A liegen. In gleicher Weise werden aus der anderen Halbwelle der Spannung U3 der Quelle S zwei weitere nahe beieinanderliegende Impulse Z^1 und z2 abgeleitet, die nicht dargestellt sind. Somit wird der Halbleiterschalter SM nur während eines kurzen Intervalls geöffnet, und der Verbraucher App wird nur während eines geringen Bruchteils der Periode der Spannung U3 der Quelle 5 gespeist, so daß die gelieferte LeiBei dieser Ausführungsform wird der Halbleiterschalter SM gesperrt, wenn der Strom über seine Anschlüsse^ und B durch Null geht; er kann aber nicht durch Anlegen eines Impulses an seine Steuerelektrode C gesperrt werden. Das Zünden wird dadurch erreicht, daß über den Transformator Tr an die Steuerelektrode C eine Spannung angelegt wird, deren Größe über einem vorgegebenen Wert liegt und die eine bestimmte Polarität hat. Die Abgriffe 8
ίο und 8' der Potentiometer 6 und 6' der beiden Netzwerke können wie im Fall nach F i g. 1 mechanisch miteinander verbunden sein. Die Einstellung der zum Verbraucher App gelieferten Leistung kann zwischen P/2 und P erfolgen, wobei P den zuvor definierten Wert hat. Unter Bezugnahme auf F i g. 2 erfolgt nämlich das Zünden in dem Augenblick, in welchem die Spannung U10 im Zeitpunkt I1 erscheint. Dieser Zeitpunkt Z1 kann durch Abwärtsbewegen der Abgriffe 8, 8' der Potentiometer bis zu dem Zeitpunkt zuriick-
stung gering ist. Wenn die Abgriffe 8 und 8' unter- 20 geschoben werden, in welchem die Spannung durch halb einer bestimmten Grenzstellung stehen, treten den Spitzenwert geht. Die Leistung wird dann dem keine Zündimpulse mehr auf, so daß die gelieferte Verbraucher App während der zweiten Hälfte jeder Leistung den Wert Null hat. Wenn dagegen die Ab- Halbwelle zugeführt. Wenn die Stellung der Potentiogriffe8, 8' nahezu in ihrer (in Fig. 1) oberen Stel- meterabgriffe8 und 8' noch weiter nach unten belung stehen, ist die zum Verbraucher gelieferte Lei- 25 wegt wird, tritt kein Zünden mehr ein, weil die erstung groß, und sie erreicht für die Grenzstellung der haltene maximale Spannung U10 zur Auslösung nicht
mehr ausreicht; dies entspricht der Einstellung auf Null. Man verfügt also über eine Einstellung P = O und eine veränderliche Einstellung zwischen P/2
Abgriffe einen Maximalwert P = V2IR, wobei V den Effektivwert der Spannung U3 der Quelle S und R die Impedanz des Verbrauchers App bezeichnen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können 30 und P. Die beiden Abgriffe können jedoch auch von-
die Dioden 7 und T entfallen. Diese sind nämlich nicht unerläßlich, weil die in der Durchlaßrichtung während jeder zweiten Halbwelle der Spannung der Quelle 5 an den Klemmen der Zenerdioden auftretende Spannung vernachlässigbar ist und diese Dioden daher keine Impulse liefern. Das Vorhandensein der Dioden 7 und 7' ist jedoch vorteilhaft, weil diese die Verluste verringern, indem sie jeden Stromdurchgang in jeder zweiten Halbwelle durch das jeweils nicht benutzte Netzwerk R1 bzw. R2 verhindern.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung nach F i g. 3 ist nur ein Steuernetzwerk R vorhanden.
Dieses Netzwerk R enthält zwei Potentiometer 6 und 6' mit zwei miteinander gekoppelten Abgriffen 8 und 8', deren Potentiometerwiderstände jeweils über zwei mit ihren Klemmen verbundenen Dioden 14 und 15 bzw. 16 und 17 an die Wechselspannungsquelle 5 angeschlossen sind. Der übrige Teil des Netzwerks, vom gemeinsamen Abgriff der Potentiometer 8 und 8' an, ist in gleicher Weise wie bei den beiden Netzwerken R1 und R2 in F i g. 1 ausgeführt. Die Zenerdiode 12 dieses Netzwerks R ist mit einer einzigen Primärwicklung P des Transformators Tr verbunden.
Die Erfindung ist auch in Verbindung mit einem symmetrischen Halbleiterschalter, der zündbar, aber ,nicht sperrbar ist, zu verwenden.
Bei einer entsprechenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist jedes Netzwerk dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen P1 und P2 des Transformators Tr direkt mit den Klemmen des in Serie mit der Zenerdiode 9 bzw. 9' liegenden Widerstands 10 bzw. 10' verbunden ist und eine weitere Zenerdiode und der zugehörige Widerstand entfallen.
Diese Ausführungsform ist in Fig.4 dargestellt; mit Ausnahme des zuvor angegebenen Unterschieds ist sie derjenigen von F i g. 1 gleich.
einander unabhängig gemacht werden. In diesem Fall verfügt man bei geeigneter Betätigung der beiden Abgriffe über die Einstellung P = O und eine veränderliche Einstellung zwischen P/4 und P.
Die Anordnung eignet sich für einen symmetrischen Halbleiterschalter, der durch Zusammenfügen von zwei gegensinnig parallelgeschalteten, nichtsymmetrischen Schaltern gebildet ist. In diesem Fall empfängt jeder Schalter die Steuerimpulse über einen getrennten Übertrager mit zwei Wicklungen.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stromflußwinkels eines zwischen eine Wechselspannungsquelle und einen Verbraucher eingeschalteten Halbleiterschalters mit Hilfe einer über einen Transformator während jeder Halbwelle der Wechselspannung der Steuerstrecke des Halbleiterschalters zugeführten Steuerspannung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Potentiometer (6, 6') vorgesehen sind, die über Gleichrichter (7, T; 14, 15, 16, 17) mit den Klemmen der Wechselspannungsquelle (5) verbunden sind, daß die Gleichrichter (7, 7'; 14, 15, 16, 17) der beiden Potentiometer (6, 6') entgegengesetzt gepolt sind, daß die Abgriffe (8, 8') der Potentiometer (6, 6') über eine Serienschaltung aus einem Widerstand (10,10') und einer Zenerdiode (9,9') an eine der Klemmen (1, 2) der Wechselspannungsquelle (S) angeschlossen sind und daß von der am Widerstand (10, 10') abfallenden Spannung die dem Transformator (Tr) über eine Primärwicklung (P1, P2; P) zugeführte Steuerspannung für den Halbleiterschalter (SM) abgeleitet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff (8, 8')
IO
jedes Potentiometers (6, 6') über je eine eigene Serienschaltung aus einer Zenerdiode (9, 9') und einem Widerstand (10, 10') an jeweils eine der Klemmen (1, 2) der Wechselspannungsquelle (S) angeschlossen ist (Fig. 1 und 4).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen jedes Widerstands (10, 10') je eine eigene Primärwicklung (P1, P2) des Transformators (Tr) angeschlossen ist (F i g. 4).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen jedes Widerstands (10,10') je eine weitere Serienschaltung aus einer weiteren Zenerdiode (12, 12') und einem weiteren Widerstand (11, 11') angeschlossen ist, und daß an die Klemmen jeder weiteren Zenerdiode (12, 12') je eine eigene Primärwicklung (P1, P2) des Transformators (Tr) angeschlossen ist (F i g. 1).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, da-
durch gekennzeichnet, daß die Abgriffe (8, 8') der beiden Potentiometer (6, 6') mechanisch miteinander gekoppelt sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Klemme jedes Potentiometers (6, 6') und der entsprechenden Klemme (1, 2) der Wechselspannungsquelle (5) ein Gleichrichter (14, 15, 16, 17) liegt, daß die Abgriffe (8, 8') der beiden Potentiometer (6, 6') mechanisch und elektrisch miteinander gekoppelt sind, daß an die beiden Abgriffe (8, 8') eine gemeinsame Serienschaltung aus einer Zenerdiode (9) und einem Widerstand (10) angeschlossen ist, daß an die Klemmen des Widerstands (10) eine weitere Serienschaltung aus einer weiteren Zenerdiode (12) und einem weiteren Widerstand (11) angeschlossen ist und daß an die Klemmen der weiteren Zenerdiode (12) die Primärwicklung (P) des Transformators (Tr) angeschlossen ist (F i g. 3).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 639/1492
DEC33510A 1963-07-30 1964-07-28 Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stromflusswinkels eines Halbleiterschalters Pending DE1283948B (de)

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