JP2013218917A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】力率改善回路の出力電圧の安定化を図ることが可能な電源装置を提供する。
【解決手段】今回のLED出力幅W2と前回のLED出力幅W2pとの差の絶対値|W2−W2p|が所定の設定値Wsよりも大きいか否かを判別しS21、|W2−W2p|>Wsである場合は力率改善回路5のフィードフォワード処理を行ないS22,S23、|W2−W2p|>Wsでない場合はフィードフォワード処理を行なわない。したがって、余分なフィードフォワード処理を行なわないので力率改善回路の出力電圧が安定する。
【選択図】図4
【解決手段】今回のLED出力幅W2と前回のLED出力幅W2pとの差の絶対値|W2−W2p|が所定の設定値Wsよりも大きいか否かを判別しS21、|W2−W2p|>Wsである場合は力率改善回路5のフィードフォワード処理を行ないS22,S23、|W2−W2p|>Wsでない場合はフィードフォワード処理を行なわない。したがって、余分なフィードフォワード処理を行なわないので力率改善回路の出力電圧が安定する。
【選択図】図4
Description
この発明は電源装置に関し、特に、LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)照明用の電源装置に関する。
特許文献1には、交流電圧を整流する整流回路と、整流回路に接続され、交流電源の力率を改善するとともに第1の直流電圧を出力する力率改善回路と、第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換してLEDに印加するDC(Direct Current:直流)/DCコンバータと、これらを制御する制御回路とを備えたLED照明用電源装置が開示されている。
このような力率改善回路の出力電圧を制御する方法としては、フィードバック制御とフィードフォワード制御がある。フィードバック制御は、力率改善回路の出力電圧を測定し、測定値の増減に従って力率改善回路のスイッチング出力幅(スイッチング素子のオン時間)を調整する方法である。フィードフォワード制御は、これから出力する負荷電流に基づいて力率改善回路のスイッチング出力幅を予め求め、負荷電流を出力する前にスイッチング出力幅を設定する方法である。
しかし、従来のLED照明用電源装置では、負荷電流の変化状態に関係なく、力率改善回路のフィードバック制御とフィードフォワード制御が別々に行なわれていたので、種々の問題があった。
すなわち、フィードバック制御のみでは、力率改善回路のスイッチング出力幅の調整が負荷電流の変化に追い付かず、力率改善回路の出力電圧と負荷電流との間にアンバランスが生じる。このため、LED照明のちらつきや揺らぎが発生し、最悪の場合には過電流や過電圧により装置を故障させてしまう恐れがあった。
また、フィードフォワード制御のみでは、力率改善回路のスイッチング出力幅の設定値と負荷電流が実際に安定するスイッチング出力幅との誤差が大きい場合には、力率改善回路の出力電圧に揺らぎが発生し、LED照明がちらつくという問題があった。特に、負荷電流を連続的に変化させる場合には、力率改善回路の出力電圧のゆらぎが頻発し、LED照明のちらつきが激しくなってしまう。
また、力率改善回路の出力電圧の揺らぎが大きくなると、交流電源の力率が低下してしまうという問題もあった。さらに、フィードフォワード制御を頻繁に行なうと、制御回路の負荷が増え、処理遅延が発生し、消費電力が増加してしまうという問題もある。
それゆえに、この発明の主たる目的は、力率改善回路の出力電圧の安定化を図ることが可能な電源装置を提供することである。
この発明に係る電源装置は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、平滑コンデンサと、整流回路と平滑コンデンサの間に設けられ、交流電源の力率を改善するとともに平滑コンデンサを目標電圧に充電させる力率改善回路と、平滑コンデンサと負荷の間に設けられ、負荷電流を調整する出力回路と、力率改善回路および出力回路を制御する制御回路とを備えたものである。制御回路は、負荷電流を所定の範囲よりも大きく変化させる場合は、力率改善回路のフィードフォワード制御を行なった後に力率改善回路のフィードバック制御を行ない、負荷電流を所定の範囲内で変化させる場合は、フィードフォワード制御を行なわずにフィードバック制御のみを行なう。
また、この発明に係る他の電源装置は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、平滑コンデンサと、整流回路と平滑コンデンサの間に設けられ、交流電源の力率を改善するとともに平滑コンデンサを目標電圧に充電させる力率改善回路と、平滑コンデンサと負荷の間に設けられ、負荷電流を調整する出力回路と、力率改善回路および出力回路を制御する制御回路とを備えたものである。制御回路は、コマンド信号に従って、互いに負荷電流が異なる複数の動作モードのうちのいずれかの動作モードを実行し、動作モードの切換が指示された場合は、力率改善回路のフィードフォワード制御を行なった後に力率改善回路のフィードバック制御を行ない、動作モードの切換が指示されていない場合は、フィードフォワード制御を行なわずにフィードバック制御のみを行なう。
好ましくは、制御回路は、フィードバック制御を予め定められた回数実施しても平滑コンデンサの端子間電圧が目標電圧に到達しない場合はフィードフォワード制御を行なう。
また好ましくは、負荷は、発光ダイオードを用いた照明装置である。
この発明に係る電源装置では、負荷電流を所定の範囲よりも大きく変化させる場合は、力率改善回路のフィードフォワード制御を行なった後にフィードバック制御を行ない、負荷電流を所定の範囲内で変化させる場合は、フィードフォワード制御を行なわずにフィードバック制御のみを行なう。したがって、不必要なフィードフォワード制御が行なわれることがないので、力率改善回路の出力電圧の安定化を図ることができる。このため、負荷を安定に動作させることができ、また、電源の力率を向上させることができ、さらには、制御回路の実行処理数を削減し、制御回路の負荷を軽減させることができる。
また、この発明に係る他の電源装置では、動作モードの切換が指示された場合は、力率改善回路のフィードフォワード制御を行なった後にフィードバック制御を行ない、動作モードの切換が指示されていない場合は、フィードフォワード制御を行なわずにフィードバック制御のみを行なう。したがって、不必要なフィードフォワード制御が行なわれることがないので、力率改善回路の出力電圧の安定化を図ることができる。このため、負荷を安定に動作させることができ、また、電源の力率を向上させることができ、さらには、制御回路の実行処理数を削減し、制御回路の負荷を軽減させることができる。
[実施の形態1]
本願の実施の形態1によるLED照明用電源装置は、図1に示すように、入力端子T1,T2、出力端子T3,T4、整流回路2、コンデンサ3、分圧回路4,11、力率改善回路5、平滑コンデンサ10、出力回路12、AC(Alternating Current:交流)ゼロクロス検出信号生成回路18、および制御回路19を備える。入力端子T1,T2は、交流電源1に接続される。出力端子T3,T4には、LED照明20が接続される。
本願の実施の形態1によるLED照明用電源装置は、図1に示すように、入力端子T1,T2、出力端子T3,T4、整流回路2、コンデンサ3、分圧回路4,11、力率改善回路5、平滑コンデンサ10、出力回路12、AC(Alternating Current:交流)ゼロクロス検出信号生成回路18、および制御回路19を備える。入力端子T1,T2は、交流電源1に接続される。出力端子T3,T4には、LED照明20が接続される。
整流回路2は、交流電源1から入力端子T1,T2を介して与えられる交流電圧VACを全波整流する。コンデンサ3は、力率改善回路5で発生したスイッチングノイズを接地電圧GNDのラインに流出させ、スイッチングノイズが交流電源1に流入するのを防止する。分圧回路4は、整流回路2の出力電圧V2を分圧して制御回路19に与える。ACゼロクロス検出信号生成回路18は、交流電圧VACのゼロクロス点を検出し、検出したゼロクロス点を示す信号φ18を生成して制御回路19に与える。
制御回路19は、ACゼロクロス点検出信号φ18に同期して動作し、分圧回路4の出力電圧V4と同位相の電流が力率改善回路5に流れるように力率改善回路5を制御する。これにより、交流電源1からLED照明用電源装置に与えられる交流電圧VACと交流電流の位相が一致するように、すなわち力率が1になるように制御される。
力率改善回路5は、トランス6、NチャネルMOSトランジスタ7、抵抗素子8、およびダイオード9を含む。トランス6の1次巻線の一方端子は、整流回路2の出力端子2aに接続される。ダイオード9のアノードはトランス6の1次巻線の他方端子に接続され、そのカソードは出力端子T3に接続される。トランス6の1次巻線は、リアクトルとして使用される。トランジスタ7および抵抗素子8は、ダイオード9のアノードと接地電圧GNDのラインとの間に直列接続される。トランジスタ7のゲートは、制御回路19からの制御信号CNT1を受ける。
トランス6の2次巻線の端子間電圧V6は、制御回路19に与えられ、1次巻線に流れる電流が0Aになったことを検出するために使用される。抵抗素子8の端子間電圧V8は、制御回路19に与えられ、トランジスタ7に過電流が流れるのを防止するために使用される。
また、平滑コンデンサ10は、ダイオード9のカソードと接地電圧GNDのラインとの間に接続される。分圧回路11は、平滑コンデンサ10の端子間電圧を分圧して制御回路19に与える。分圧回路11の出力電圧V11は、平滑コンデンサ10の端子間電圧、すなわち力率改善回路5の出力電圧Voをモニタするために使用される。
制御信号CNT1は、所定の周期で交互に「L」レベルおよび「H」レベルにされる。制御信号CNT1が「L」レベルにされると、トランジスタ7がオフし、整流回路2の出力端子2aからトランス6の1次巻線およびダイオード9を介して平滑コンデンサ10に電流が流れ、平滑コンデンサ10が充電される。
平滑コンデンサ10が充電されてトランス6の1次巻線に流れる電流が0Aになると、制御信号CNT1が「H」レベルにされ、トランジスタ7がオンする。トランジスタ7がオンすると、整流回路2の出力端子2aからトランス6の1次巻線、トランジスタ7、および抵抗素子8を介して接地電圧GNDのラインに電流が流れ、交流電源1の力率が改善される。このとき、トランス6の1次巻線に電磁エネルギーが蓄えられる。この電磁エネルギーは、トランジスタ7のオン時間に応じて増大する。
次いで制御信号CNT1が「L」レベルにされると、トランジスタ7がオフし、整流回路2の出力端子2aからトランス6の1次巻線およびダイオード9を介して平滑コンデンサ10に電流が流れ、平滑コンデンサ10が充電される。このときトランス6の1次巻線に蓄えられた電磁エネルギーが放出される。したがって、分圧回路11の出力電圧V11に基づいてトランジスタ7のオン時間を調整することにより、平滑コンデンサ10の端子間電圧を調整することができる。
出力回路12は、制御回路19からの制御信号CNT2によって制御され、平滑コンデンサ10からLED照明20に流れる電流を調整する。すなわち、出力回路12は、ダイオード13、NチャネルMOSトランジスタ14、抵抗素子15、リアクトル16、およびコンデンサ17を含む。ダイオード13のカソードは出力端子T3に接続され、そのアノードはトランジスタ14および抵抗素子15を介して接地電圧GNDのラインに接続される。コンデンサ17は、出力端子T3,T4間に接続される。リアクトル16は、出力端子T4とダイオード13のアノードとの間に接続される。抵抗素子15の端子間電圧V15は、制御回路19に与えられ、出力電流Ioをモニタするために使用される。
制御信号CNT2は、所定の周期で交互に「H」レベルおよび「L」レベルにされる。制御信号CNT2が「H」レベルにされると、トランジスタ14がオンする。トランジスタ14がオンすると、平滑コンデンサ10の正極からLED照明20、リアクトル16、トランジスタ14、および抵抗素子15を介して平滑コンデンサ10の負極に電流が流れる。このとき、リアクトル16に電磁エネルギーが蓄えられる。この電磁エネルギーは、トランジスタ14のオン時間に応じて増大する。
制御信号CNT2が「L」レベルにされると、トランジスタ14がオフし、リアクトル16、ダイオード13、およびLED照明20の経路で電流が流れる。このときリアクトル16に蓄えられた電磁エネルギーが放出される。したがって、トランジスタ14のオン時間を調整することにより、出力電流IoすなわちLED照明の明るさを調整することができる。
制御回路19は、たとえばマイクロコンピュータで構成され、信号φ18および電圧V4,V6,V8,V11,V15と、外部からのコマンド信号CMDに基づいて制御信号CNT1,CNT2を生成する。コマンド信号CMDは、LED照明20の明るさなどを指示する信号である。制御回路19は、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)方式によって力率改善回路5および出力回路12の各々を制御する。
図2は、力率改善回路5のフィードバック制御を示すフローチャートである。図2以降では、力率改善回路5の出力電圧VoをPFC(Power Factor Control:力率改善)出力電圧値Voと称す。また、制御信号CNT1が「H」レベルである期間の幅(パルス幅)をPFC出力幅W1と称す。
ステップS1において制御回路19は、分圧回路11の出力電圧V11に基づいて、PFC出力電圧値Voを測定する。ステップS2において制御回路19は、目標電圧値Vtと測定したPFC出力電圧値Voの差の絶対値|Vt−Vo|が設定値Vs1よりも小さいか否かを判別する。
ステップS2において|Vt−Vo|<Vs1であると判別した場合は、ステップS3において制御回路19は、PFC出力幅W1を変更せずに制御信号CNT1の波形を生成し、その制御信号CNT1を出力する。この場合は、制御信号CNT1の「H」レベルの期間の長さは変更されず、PFC出力電圧Voは現在の値に維持される。
ステップS2において|Vt−Vo|<Vs1でないと判別した場合は、ステップS4において制御回路19は、PFC出力電圧Voが目標電圧Vtよりも小さいか否かを判別する。ステップS4においてVo<Vtであると判別した場合は、ステップS5において制御回路19は、PFC出力幅W1を所定量だけ増やしてステップS3に進む。この場合は、制御信号CNT1の「H」レベルの期間の長さが増大され、PFC出力電圧Voが上昇する。
ステップS4においてVo<Vtでないと判別した場合は、ステップS6において制御回路19は、PFC出力幅W1を所定量だけ減らしてステップS3に進む。この場合は、制御信号CNT1の「H」レベルの期間の長さが減少され、PFC出力電圧Voが低下する。したがって、PFC出力電圧値Voは目標電圧値Vtになるように、力率改善回路5が制御される。このPFCフィードバック処理(ステップS1〜S6)は、交流電圧VACの1周期が経過する毎、あるいは予め設定された所定の周期で実行される。
図3は、出力回路12のフィードバック制御を示すフローチャートである。図3以降では、出力回路12の出力電流IoをLED出力電流値Ioと称す。また、制御信号CNT2が「H」レベルである期間の幅(パルス幅)をLED出力幅W2と称す。
ステップS11において制御回路19は、現在の目標電流値Itを読み出すか、計算する。ステップS12において制御回路19は、抵抗素子15の端子間電圧V15に基づいて、LED出力電流値Ioを測定する。ステップS13において、LED出力電流値Ioと目標電流値Itとの差分(Io−It)を計算する。ステップS14において、電流差分(Io−It)と前回のLED出力幅W2pから今回のLED出力幅W2を計算する。
ステップS15において、今回のLED出力幅W2を用いて制御信号CNT2の波形を生成し、その制御信号CNT2を出力する。ステップS16において、今回のLED出力幅W2を前回のLED出力幅W2pとする。このLEDフィードバック処理(ステップS11〜S16)は、交流電圧VACの1周期が経過する毎、あるいは予め設定された所定の周期で実行される。
図4は、力率改善回路5のフィードフォワード制御を行なう場合を示すフローチャートである。フィードフォワード制御は、図3で示したLEDフィードバック処理において今回のLED出力幅W2と前回のLED出力幅W2pが決定したときに可能となる。ステップS21において制御回路19は、今回のLED出力幅W2と前回のLED出力幅W2pとの差の絶対値|W2−W2p|が所定の設定値Wsよりも大きいか否かを判別する。
ステップS21において|W2−W2p|>Wsであると判別した場合、ステップS22において制御回路19は、LED出力幅W2に応じたPFC出力幅W1を計算する。ステップS23において制御回路19は、PFC出力幅W1に基づいて制御信号CNT1の波形を作成して出力し、ステップS24に進む。ステップS21において|W2−W2p|>Wsでないと判別した場合は、直接、ステップS24に進む。ステップS24において制御回路19は、図2で示したPFCフィードバック処理を行なう。ステップS22,S23がPFCフィードフォワード処理である。
なお、|W2−W2p|>Wsである場合は、LED出力電流値(負荷電流値)Ioを所定の範囲よりも大きく変化させるので、LED出力電流値Ioが目標電流値Itに迅速に到達するように、力率改善回路5のフィードフォワード処理(S22,S23)を行なった後に力率改善回路のフィードバック処理(S1〜S6)を行なう。
また、|W2−W2p|>Wsでない場合は、LED出力電流値(負荷電流値)Ioを所定の範囲よりも小さく変化させるので、力率改善回路5のフィードフォワード処理(S22,S23)を行なわずに力率改善回路のフィードバック処理(S1〜S6)を行なう。
図5は、力率改善回路5のフィードフォワード制御を行なう他の場合を示すフローチャートである。ステップS31において制御回路19は、図2で示したPFCフィードバック処理を行なう。ステップS32において制御回路19は、PFCフィードバック処理の回数Nが所定回数Ns以上か否かを判別する。ステップS32においてN≧Nsであると判別した場合はステップS33に進み、N≧Nsでないと判別した場合はステップS31に戻る。たとえば、負荷電流の変化が大き過ぎる場合にN≧Nsとなる。
制御回路19は、ステップS33においてPFC出力電圧値Voを測定し、ステップS34においてPFC出力電圧値Voと目標電圧Vtの差の絶対値|Vo−Vt|が設定値Vs2よりも大きいか否かを判別する。ステップS34において|Vo−Vt|>Vs2であると判別した場合はステップS35においてPFCフィードフォワード処理を行なう。ステップS34において|Vo−Vt|>Vs2でないと判別した場合は、PFCフィードフォワード処理を行なわない。
この実施の形態1では、負荷電流が一定の場合および負荷電流を緩やかに変化させる場合は、力率改善回路5のフィードフォワード制御を行なわずにフィードバック制御のみを行なう。また、負荷電流を急激に変化させることが事前に分かっている場合には、まずフィードフォワード制御を行ない、その後にフィードバック制御を行なう。したがって、不必要なフィードフォワード処理を行なわないので、PFC出力電圧値Voの変動を抑え、LED照明20のちらつきを抑え、交流電源1の力率を向上させるとともに、制御回路19の負荷を軽減させることができる。
また、フィードフォワード処理を行なわない判断した場合であっても、フィードバック処理を任意の回数実施してもなおPFC出力電圧値Voが目標電圧Vtに達しないときは、フィードフォワード処理を行なうことにより、さらに交流電源1の力率を向上させることができる。
[実施の形態2]
図6は、この発明の実施の形態2によるLED照明用電源装置において力率改善回路のフィードフォワード制御を行なう場合を示すフローチャートであって、図4と対比される図である。実施の形態2が実施の形態1と異なる点は、図4の動作が図6の動作で置換されている点である。
図6は、この発明の実施の形態2によるLED照明用電源装置において力率改善回路のフィードフォワード制御を行なう場合を示すフローチャートであって、図4と対比される図である。実施の形態2が実施の形態1と異なる点は、図4の動作が図6の動作で置換されている点である。
制御回路19は、コマンド信号CMDに従って、全灯モード、半灯モード、消灯モード、常夜灯モードなどの複数の動作モードのうちのいずれかの動作モードを選択し、選択した動作モードでLED照明20を発光させる。全灯モードは、LED照明20を最大の明るさを発光させるモードである。半灯モードは、LED照明20を最大の明るさの半分の明るさで発光させるモードである。階調調整モードは、ユーザによって設定された明るさでLED照明20を発光させるモードである。ユーザによって設定された明るさは、コマンド信号CMDに含まれている。消灯モードは、LED照明20を消灯させるモードである。常夜灯モードは、所定の明るさでLED照明20を発光させるモードである。これらの動作モードは、互いに負荷電流が異なる。
ステップS41において制御回路19は、コマンド信号CMDに基づいて動作モードの遷移が発生したか否かを判別し、動作モードの遷移が発生した場合はステップS42に進み、動作モードの遷移が発生していない場合はステップS45に進む。
ステップS42において制御回路19は、遷移後の動作モードに応じたLED出力幅W2を読み出すか計算する。ステップS43において制御回路19は、LED出力幅W2に応じたPFC出力幅W1を計算する。ステップS44において制御回路19は、PFC出力幅W1に基づいて制御信号CNT1の波形を作成して出力する。ステップS45において制御回路19は、図2で示したPFCフィードバック処理を行なう。ステップS43,S44がPFCフィードフォワード処理である。
なお、動作モードの遷移が発生する場合は、LED出力電流値(負荷電流値)Ioを所定の範囲よりも大きく変化させるので、LED出力電流値Ioが目標電流値Itに迅速に到達するように、力率改善回路5のフィードフォワード処理(S43,S44)を行なった後に力率改善回路のフィードバック処理(S1〜S6)を行なう。
また、動作モードの遷移が発生しない場合は、LED出力電流値(負荷電流値)Ioを所定の範囲よりも小さく変化させるので、力率改善回路5のフィードフォワード処理(S43,S44)を行なわずに力率改善回路のフィードバック処理(S1〜S6)を行なう。他の構成および動作は実施の形態1と同じであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態2でも、実施の形態1と同じ効果が得られる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 交流電源、2 整流回路、3,17 コンデンサ、4,11 分圧回路、5 力率改善回路、6 トランス、7,14 NチャネルMOSトランジスタ、8,15 抵抗素子、9,13 ダイオード、10 平滑コンデンサ、12 出力回路、16 リアクトル、18 ACゼロクロス検出信号生成回路、19 制御回路、20 LED照明、T1,T2 入力端子、T3,T4 出力端子。
Claims (4)
- 交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、
平滑コンデンサと、
前記整流回路と前記平滑コンデンサの間に設けられ、前記交流電源の力率を改善するとともに前記平滑コンデンサを目標電圧に充電させる力率改善回路と、
前記平滑コンデンサと負荷の間に設けられ、負荷電流を調整する出力回路と、
前記力率改善回路および前記出力回路を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記負荷電流を所定の範囲よりも大きく変化させる場合は、前記力率改善回路のフィードフォワード制御を行なった後に前記力率改善回路のフィードバック制御を行ない、前記負荷電流を前記所定の範囲内で変化させる場合は、前記フィードフォワード制御を行なわずに前記フィードバック制御のみを行なう、電源装置。 - 交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、
平滑コンデンサと、
前記整流回路と前記平滑コンデンサの間に設けられ、前記交流電源の力率を改善するとともに前記平滑コンデンサを目標電圧に充電させる力率改善回路と、
前記平滑コンデンサと負荷の間に設けられ、負荷電流を調整する出力回路と、
前記力率改善回路および前記出力回路を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
コマンド信号に従って、互いに負荷電流が異なる複数の動作モードのうちのいずれかの動作モードを実行し、
前記動作モードの切換が指示された場合は、前記力率改善回路のフィードフォワード制御を行なった後に前記力率改善回路のフィードバック制御を行ない、前記動作モードの切換が指示されていない場合は、前記フィードフォワード制御を行なわずに前記フィードバック制御のみを行なう、電源装置。 - 前記制御回路は、前記フィードバック制御を予め定められた回数実施しても前記平滑コンデンサの端子間電圧が前記目標電圧に到達しない場合は前記フィードフォワード制御を行なう、請求項1または請求項2に記載の電源装置。
- 前記負荷は、発光ダイオードを用いた照明装置である、請求項1から請求項3までのいずれかに記載の電源装置。
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JP2017085865A (ja) * | 2015-10-30 | 2017-05-18 | 三菱電機株式会社 | 力率補償装置、led照明装置 |
US9743471B2 (en) | 2015-06-19 | 2017-08-22 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Lighting device and lighting fixture for current control with a solid-state lighting element |
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