DE19755601A1 - Schaltungsanordnung zum Laden und/oder Entladen von kapazitiven Lasten - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Laden und/oder Entladen von kapazitiven LastenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zum Laden und/oder Entladen von kapazitiven Lasten gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei den kapazitiven
Lasten handelt es sich insbesondere um piezoelektrische
Elemente, die beispielsweise als Aktoren bzw. Stellglieder
verwendet werden. Solche piezoelektrischen Elemente sind für
derartige Zwecke besonders geeignet, da sie die
Eigenschaften aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer
angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.
Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch
piezoelektrische Elemente erweist sich insbesondere dann als
vorteilhaft, wenn das betreffende Stellglied und/oder der
Aktor häufige Bewegungen auszuführen hat. Der Einsatz von
piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich u. a.
bei Kraftstoffeinspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als
vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen
Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise
auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.
Aus der DE 30 48 632 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum
Laden oder Entladen von Piezoaktoren bekannt. Die dort
beschriebene Lösung erfordert ein Schaltelement, das den
Piezoaktor nach einem Ausgleichsschwingprozeß direkt an eine
zusätzliche Spannungsquelle schaltet, um die geforderte
Aktorendspannung zu erreichen. Diese Lösung hat den
Nachteil, daß dieser Schalter einen zusätzlichen Aufwand in
der Schalteransteuerung bedeutet und während dieser
Restaufladung schaltungsbedingte Verluste in der
Spannungsquelle und dem Piezoaktor auftreten.
Der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine
periodische und möglichst verlustfreie Ansteuerung des
Piezoaktors ermöglicht.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine
periodische, verlustfreie Ansteuerung des Piezoaktors
möglich. Besonders vorteilhaft ist es, daß mit geringem
Aufwand auch mehrere Piezoaktoren angesteuert werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt Fig. 1
die wesentlichsten Elemente der Schaltungsanordnung, Fig. 2
die wesentlichsten Elemente einer Schaltungsanordnung für
mehrere Piezoaktoren, Fig. 3 verschiedene Signale über der
Zeit aufgetragen zur Verdeutlichung der Funktionsweise und
Fig. 4 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung.
In der Fig. 1 sind die wesentlichen Elemente der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Die
Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einem
sogenannten Grundmodul GM und wenigstens einem Lastmodul LM.
Diese beiden Module sind mit punktieren Linien
gekennzeichnet.
Das Grundmodul GM umfaßt im wesentlichen eine steuerbare
Spannungsquelle 100, an der die Spannung US anliegt. Der
erste Anschluß, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
dies der Minuspol, der Spannungsquelle 100, steht mit einem
ersten Anschluß eines ersten Kondensators 110 in Verbindung.
An dem Kondensator CBU liegt die Spannung an. Der zweite
Anschluß des Kondensators ist mit einer Induktivität L
verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Anschluß
der Spannungsquelle und dem ersten Anschluß des Kondensators
CBU steht über ein erstes Schaltmittel SE mit einem Ausgang
b in Verbindung.
Das erste Schaltmittel SE besitzt zwei Schaltstellungen, die
mit 1 und 0 bezeichnet sind. Bei der Schaltstellung, die mit
0 bezeichnet ist, ist das Schaltmittel geöffnet, bei der mit
1 bezeichneten Stellung ist es geschlossen. In diesem Fall
verbindet das Schaltmittel SE den Verbindungspunkt zwischen
der Spannungsquelle 100 und dem Kondensator CBU mit dem
Ausgang b des Grundmoduls GM.
Der zweite Anschluß der Induktivität steht mit dem Ausgang c
des Grundmoduls GM in Kontakt. Der zweite Anschluß der
Spannungsquelle, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist dies der positive Pol der Spannungsquelle, steht mit der
Kathode einer dritten Diode DL in Kontakt. Die Anode der
dritten Diode DL steht mit einem Ausgang a des Grundmoduls
GM in Kontakt.
Das Lastmodul LM beinhaltet im wesentlichen den Piezoaktor
PA. Parallel zu dem Piezoaktor PA ist eine erste Diode DP
geschaltet. Die Kathode der Diode DP ist mit dem ersten
Anschluß des Piezoaktors PA, der in dem dargestellten
Beispiel den negativen Anschluß darstellt, verbunden. Die
Anode der Diode DP ist mit dem zweiten Anschluß des
Piezoaktors PA, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
dies der positive Anschluß, verbunden.
Der erste Anschluß der Diode DP bzw. der erste Anschluß des
Piezoaktors PA steht mit dem Ausgang c des Lastmoduls LM in
Verbindung. Der zweite Anschluß des Piezoaktors PA bzw. der
Diode DP steht über eine zweite Diode DE mit dem Ausgang b
des Lastmoduls LM in Verbindung. Dabei steht die Kathode der
Diode DE jeweils mit dem zweiten Anschluß des Piezoaktors PA
bzw. der Diode DP in Kontakt.
Ferner steht der zweite Anschluß des Piezoaktors PA über ein
zweites Schaltmittel SL mit dem Ausgang a des Lastmoduls LM
in Verbindung. Das zweite Schaltmittel SL besitzt ebenfalls
zwei Schaltstellungen wobei in der mit 1 bezeichneten
Schaltstellung das Schaltmittel geschlossen ist.
Das erste Schaltmittel SE wird mit einem Ausgangssignal
eines Punktes A2 und das zweite Schaltmittel SL mit dem
Ausgangssignal eines Punktes A1 beaufschlagt.
Die Ausgänge a, b und c des Lastmoduls und die Ausgänge a,
b, c des Grundmoduls GM sind jeweils miteinander verbunden.
Betrachtet man das Grundmodul GM und das Lastmodul LM eines
Piezoaktors PA als Einheit, so ist der Minuspol der
Spannungsquelle 100 über den Kondensator CBU in Reihe mit
der Induktivität L mit dem negativen Anschluß der
kapazitiven Last PA und der Anode der Diode DP verbunden.
Der Minuspol der Spannungsquelle 100 ist ferner über das
erste Schaltmittel SE mit der Kathode der Diode DE und die
Anode der Diode DE mit dem positiven Anschluß der
kapazitiven Last PA und der Kathode der Diode DP verbunden.
Der Pluspol der Spannungsquelle 100 ist mit der Anode der
Diode DL und die Kathode der Diode DR über das zweite
Schaltmittel SL mit dem positiven Anschluß der kapazitiven
Last PA verbunden.
Die Schaltmittel SE und SL sind vorzugsweise als
elektronische Schalter, die durch eine in der Fig. 1 nicht
dargestellte Ansteuerbaugruppe angesteuert werden,
realisiert. Vorzugsweise sind die Schaltmittel als
Transistoren und/oder Thyristoren ausgebildet. Bei der
Verwendung von Thyristoren sind die zweite und die dritte
Diode im Thyristor enthalten.
Die Spannungsquelle 100, der Kondensator CBU, die
Induktivität L, die Diode DRL und das erste Schaltmittel SE
bilden das Grundmodul. Die kapazitive Last PA, die Diode DP
und die Diode DE sowie das zweite Schaltmittel SL bilden das
Lastmodul LM. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß ein
Grundmodul GM zur Ansteuerung mehrerer Lastmodule LM
verwendet werden kann. Dadurch können teure und Bauraum
beanspruchende Bauelemente wie Kondensatoren und
Induktivitäten eingespart werden.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit mehreren Lastmodulen LM dargestellt.
Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind mit
entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Zur Vereinfachung
der Schaltung sind die Lastmodule LM1 und LM2 lediglich als
Block dargestellt. Die verschiedenen Lastmodule LM1 und LM2
stehen mit ihren Ausgängen a, b und c jeweils miteinander
und mit den jeweiligen Ausgängen a, b, c des Grundmoduls GM
in Verbindung.
Die steuerbare Spannungsquelle 100 wird dabei von einem
Regler K angesteuert, der eine Steuerspannung UST
bereitstellt. Die Steuerspannung UST wird von dem Regler K
ausgehend von dem Vergleich zwischen einem Sollwert und UQ und
einem Istwert, der der momentanen Spannung uBU an dem
Kondensator CBU entspricht, gebildet. Hierzu werden diese
beiden Signale einem Verknüpfungspunkt 210 zugeleitet.
Ausgehend von dieser Differenz bestimmt der Regler K das
Ansteuersignal AST zur Ansteuerung der gesteuerten
Spannungsquelle 100.
Der Sollwert UQ wird von einer Ansteuerbaugruppe 220
bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um eine
Steuereinrichtung, die ausgehend von verschiedenen Signalen
verschiedener Sensoren 230 und 235 die Spannung UQ
bereitstellt. Ferner steuert die Ansteuerbaugruppe das erste
und das zweite Schaltmittel an. Hierzu stellt die
Ansteuerbaugruppe 220 Signale bereit, die sie auf den Punkt
A1 und den Punkt A2 ausgibt.
Den Sollwert für die Spannung UST wird ausgehend von
verschiedenen Betriebsparametern, die mit den Sensoren 230
und 235 erfaßt werden, bestimmt. Dienen die Piezoaktoren zu
Steuerung einer Brennkraftmaschine werden beispielsweise die
Drehzahl N der Brennkraftmaschine und der Fahrerwunsch FP
verwendet.
Zur Verdeutlichung der Funktionsweise der
Schaltungsanordnung wird auf Fig. 3 verwiesen. In Fig. 3a
sind die wesentlichen Elemente der Schaltungsanordnung
dargestellt. Die Schaltungselemente sind mit entsprechenden
Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet. Der
Kondensator CBU ist in Fig. 3a als Spannungsquelle
dargestellt. Zusätzlich sind in Fig. 3a die Ströme, die
beim Laden und Entladen des Piezoaktors PA fließen,
dargestellt.
Der Strom, der beim Laden des Piezoaktors PA fließt, ist mit
iL bezeichnet und mit einer durchgezogenen Linie mit Pfeil
dargestellt. Der Strom, der beim Entladen fließt, ist mit iE
bezeichnet und mit einer gestrichelten Linie mit Pfeil
dargestellt. Der Piezoaktor PA weist die Kapazität CPA auf.
An ihm liegt die veränderliche Spannung uPA. An der
Spannungsquelle 100 liegt die Spannung US und an dem
Kondensator CBU die Spannung UBU.
Der Verlauf der Spannung uPA ist in Fig. 3b über der Zeit t
aufgetragen. Ferner ist in Fig. 3b das Ansteuersignal bzw.
die Schalterstellung des zweiten Schaltmittels SL und des
ersten Schaltmittels SE aufgetragen.
Der Maximalwert, den die Spannung am Piezoaktor PA erreichen
kann, ist mit UPAmax bezeichnet. Zum Zeitpunkt t0L beginnt
die Ladung des Kondensators. Hierzu wechselt das zweite
Schaltmittel SL von seiner Schaltstellung 0 in die
Schaltstellung 1. Dies bedeutet, der Stromfluß durch den
Piezoaktor beginnt, das heißt, der Strom iL(t) fließt. Bei
geschlossenem Schalter SL erfolgt der Stromfluß von der
Spannungsquelle 100 durch die Diode DL das zweite
Schaltmittel SL den Piezoaktor PA die Induktivität L und den
Kondensator CBU. Gleichzeitig steigt die Spannung uPA am
Piezoaktor PA an. Zum Zeitpunkt t1 erreicht die Spannung uPA
den Maximalwert UPAmax. Der Ladevorgang ist nun
abgeschlossen.
Während des Zeitraums zwischen dem Zeitpunkt t0L und dem
Zeitpunkt t1 erfolgt die Ladung des Piezoaktors diese Zeit
wird als Ladezeit tL bezeichnet. Die Ansteuerung des zweiten
Schaltmittels SL wird zu einem späteren Zeitpunkt, der nach
dem Zeitpunkt t1 und vor dem Zeitpunkt t0L liegt,
zurückgenommen. Dabei geht das zweite Schaltmittel SL in die
Schaltstellung 0 über.
Zum Zeitpunkt t0E beginnt das Entladen des Piezoaktors. Ab
diesem Zeitpunkt fällt die Spannung uPA ausgehend von ihrem
Maximalwert UPAmax ab. Zum Zeitpunkt t2 erreicht sie den
Wert 0. Dies bedeutet, der Piezoaktor ist zum Zeitpunkt t2
entladen. Nach dem Zeitpunkt t2 wird die Ansteuerung des
ersten Schaltmittels SE wieder auf 0 zurückgenommen.
Der Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt t0E und dem Zeitpunkt t2
wird als Entladezeit tE bezeichnet. Während dieser Zeit
fließt der Strom iE(t) durch den Kondensator CBU, die
Induktivität L, den Piezoaktor PA, die Diode DE und das
erste Schaltmittel SE.
Das Prinzip der Schaltung nach Fig. 3 beruht darauf, daß
Piezoaktoren stark kapazitives elektrisches Klemmenverhalten
besitzen. Im vereinfachten elektrischen Ersatzmodell kann
der Piezoaktor PA als Kondensator mit der Kapazität CPA
betrachtet werden. Diese Kapazität CPA bildet mit der
Induktivität L einen Schwingkreis. Für den Auf- und
Entladevorgang ergeben sich über eine Halbperiode
näherungsweise sinus- bzw. cosinusförmige Strom- und
Spannungsverläufe. Für die folgenden Formeln gelten:
Die Auf- und Entladezeiten sind durch den
Schwingungskreiskennwert ωPA vorgegeben. Für ωPA gilt die
Beziehung
In der Realität sind Piezoaktoren verlustbehaftet. Um diese
Aktorverluste im zyklischen Auf- und Entladebetrieb
auszugleichen, muß die Summe der Quellenspannung (UBU + US)
bei der Aufladung größer sein als die Quellenspannung UBU
zur Entladung. Die Mittelwerte der Spannungen US und UBU
sind auf feste Werte eingestellt, so daß sowohl die
gewünschte Aktorendspannung UPAmax als auch die minimale
Aktorspannung im Ergebnis der Ausgleichschwingprozesse
erreicht werden.
Der Piezoaktor nimmt aufgrund seiner elektrischen Kapazität
CPA bei der Aufladung auf die Spannung UPAmax eine
definierte Energiemenge WPAzu auf, die sich gemäß der
folgenden Formel ergibt:
Bei der Entladung gibt er die Energiemenge WPAab an die
Spannungsquelle zurück. Der Verlustfaktor V beschreibt den
relativen Verlustanteil der elektrischen Energie, die
während eines vollständiges Auf- und Entladezyklusses
scheinbar im Piezoaktor verbleibt. Für diesen Verlustfaktor
V gilt die Formel
In Fig. 3a wird deutlich, daß während der Aufladung des
Piezoaktors dem als Spannungsquelle dienende Kondensators
CBU Energie entnommen und während der Entladung zugeführt
wird. Der als Spannungsquelle wirkende Kondensator ist somit
ein Energiespeicher, der im zyklischen Auf- und
Entladebetrieb stets die gleiche Energiemenge WBU abgibt und
wieder aufnimmt. Für diesen Wert WBU gilt die Formel
WBUab = WBUzu = UBU 2.CPA.
Der Spannungsquelle 100 hingegen wird elektrische Energie
während der Aufladung des Piezoaktors nur entnommen. Sie
dient somit zur Kompensation von Energieverlusten, die
insbesondere im Piezoaktor beim zyklischem Auf- und Entladen
auftreten. Für diese Verlustenergie WSab gilt die Beziehung:
WSab = US 2.CPA
Für eine periodische, verlustfreie Ansteuerung des
Piezoaktors stellt sich aufgrund der Aktorverluste ein
Spannungsverhältnis V ein, für das die folgende Gleichung
gilt:
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung dargestellt. Bereits in den früheren
Figuren beschriebene Elemente sind mit entsprechenden
Bezugszeichen bezeichnet. Die Diode DL und das zweite
Schaltmittel SL sind als Thyristor ThL ausgebildet.
Entsprechend ist die Diode DE und das erste Schaltmittel SE
als zweiter Thyristor ThE ausgebildet.
Der Regler K und die Spannungsquelle 100 sind durch eine
Baugruppe bestehend aus einer Spannungsquelle UQ, die den
Sollwert vorgibt, verschiedener Widerstände R1, R2, R3 und
R4, einem Verstärker 400 und einen Kondensator 410
realisiert. Der Kondensator besitzt die Kapazität CS.
In der dargestellten Ausführungsform ist der positive Pol
der Spannungsquelle UQ über einen ersten Widerstand R1 mit
dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 400
verbunden. Ferner liegt an diesem Eingang des Verstärkers
ein zweiter Widerstand R2, der diesen Eingang über die
Induktivität L mit dem ersten Anschluß des Piezoaktors PA
verbindet.
Der invertierende Eingang des Verstärkers 400 steht über ein
dritten Widerstand R3 mit dem negativen Anschluß der
Spannungsquelle UQ in Verbindung. Ferner steht der
invertierende Eingang des Verstärkers 400 über ein
Widerstand R4 mit dem Ausgang des Verstärkers 400 in
Verbindung. Der Ausgang des Verstärkers steht ferner mit
einem zweiten Anschluß des Kondensators 410 in Verbindung,
der zweite Anschluß des Kondensators 410 ist ferner mit der
Anode des Thyristors ThL verbunden. Der zweite Anschluß des
Kondensators 410 steht mit dem negativen Anschluß der
Spannungsquelle UQ sowie mit der Kathode des Thyristors ThE
und dem Kondensator 110 in Verbindung.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zur
unipolaren Spannungsansteuerung von piezoelektrischen
Vielschichtaktoren, die üblicherweise auch als Piezoaktoren
bezeichnet werden. Durch die geringen Leistungsverluste der
Ansteuerschaltung ist diese Schaltung für hochdynamische,
periodische Auf- und Entladevorgänge von
Hochleistungspiezoaktoren besonders geeignet. Bei einer
hinreichend großen Kapazität des Kondensators CBU, beträgt
deren Spannung UBU nur die Hälfte der Endspannung an den
Klemmen des Piezoaktors.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zum Laden und/oder Entladen von
kapazitiven Lasten, insbesondere von Piezoaktoren (PA), mit
Energierückspeisung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster
Anschluß einer Spannungsquelle (100) über einen
Energiespeicher (CBU) in Reihe mit einer Induktivität (L),
mit einem ersten Anschluß der kapazitiven Last (PA) und
einem ersten Anschluß einer ersten Diode (DP) verbunden ist,
daß der erste Anschluß der Spannungsquelle (100) über ein
erstes Schaltmittel (SE) mit einem ersten Anschluß einer
zweiten Diode (DE) und der zweite Anschluß der zweiten Diode
(DE) mit dem zweiten Anschluß der kapazitiven Last (PA) und
einem zweiten Anschluß der ersten Diode (DP) verbunden ist
und daß ein zweiter Anschluß der Spannungsquelle (100) mit
einem ersten Anschluß einer dritten Diode (DL) und der
zweite Anschluß der dritten Diode (DL) über ein zweites
Schaltmittel (SL) mit einem zweiten Anschluß der kapazitiven
Last (PA) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltmittel als elektronische
Schalter, insbesondere Feldeffekttransistoren oder
Thyristoren ausgebildet sind, die durch eine
Ansteuerbaugruppe geschaltet werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (110) als
Kondensator ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle,
der Energiespeicher (110), die Induktivität (L), die dritte
Diode (DL) und das erste Schaltmittel (SE) ein Grundmodul
(GM) bilden, das mit wenigstens einem Lastmodul (LM),
bestehend aus je einer kapazitiven Last (PA), der zweiten
Diode (DE), der ersten Diode (DP) und dem zweiten
Schaltmittel (SL), verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle
(100) als steuerbare Spannungsquelle ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die steuerbare Spannungsquelle (100) der
Ausgang eines Regler ist, dessen Eingänge mit dem
Istspannungssignal des Energiespeichers und einem
Sollwertgeber verbunden sind.
Priority Applications (1)
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DE19755601A DE19755601A1 (de) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | Schaltungsanordnung zum Laden und/oder Entladen von kapazitiven Lasten |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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DE19755601A1 true DE19755601A1 (de) | 1999-06-17 |
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DE (1) | DE19755601A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1876342A2 (de) * | 2006-07-04 | 2008-01-09 | Denso Corporation | Piezo-Injektor und Piezo-Injektorsystem |
DE102007055860B4 (de) * | 2006-12-19 | 2017-11-30 | Denso Corporation | Antriebsschaltung, Antriebsschaltung für eine piezoelektrische Kraftstoffeinspritzvorrichtung und Kraftstoffeinspritzvorrichtung |
-
1997
- 1997-12-15 DE DE19755601A patent/DE19755601A1/de not_active Ceased
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1876342A2 (de) * | 2006-07-04 | 2008-01-09 | Denso Corporation | Piezo-Injektor und Piezo-Injektorsystem |
EP1876342A3 (de) * | 2006-07-04 | 2010-03-03 | Denso Corporation | Piezo-Injektor und Piezo-Injektorsystem |
US7819337B2 (en) | 2006-07-04 | 2010-10-26 | Denso Corporation | Piezo injector and piezo injector system |
DE102007055860B4 (de) * | 2006-12-19 | 2017-11-30 | Denso Corporation | Antriebsschaltung, Antriebsschaltung für eine piezoelektrische Kraftstoffeinspritzvorrichtung und Kraftstoffeinspritzvorrichtung |
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