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2021-7-20 16:14 上傳

直流穩壓電源的系統構成一般由四個部分組成：變壓電路模塊、整流電路模塊、濾波電路模塊、穩壓電路模塊。然而在交流電變壓、整流、濾去交流信的式都是近乎大同小異。不同的是于穩壓電路系統的選擇，現在比較典型的有串聯晶體管穩壓電路、三端集成穩壓電路、穩壓二極管穩壓電路、開關電源穩壓電路。

開關穩壓電路系統的組成如圖2-1所示。電路中包括采樣電路部分、濾波電路部分、基準電壓部分、比較放大器部分、脈沖調制電路部分和開關調整電路等組成部分。

圖2-1 關型穩壓電路組成

當電網電壓發生波動時，輸出電壓會有一定的波動，輸出電壓經過采樣電路的采集，將信號傳遞到放大電路與電路設定的基準電壓比較出誤差，將誤差信號放大輸入到脈沖調制模塊，沖調制再輸出信號到開關調整管對輸出電壓進行調節，從而使開關穩壓電路穩定的輸出[3]。

開關型穩壓電路主要有以下幾個特點：

①對電能的轉換效率高；

②設計成的產品的體積較小重量較輕；

③開關電源對電網電壓的波動要求不高；

④開關電源穩壓器的調整管電路比較復雜；

⑤還有就是電路的輸出電壓中紋波電壓和噪聲較大。

穩壓二極管穩壓電路的基本原理圖如圖2-2所示。

圖2-2 穩壓二極管穩壓電路

如果電網電壓升高，那么經過整流、濾波后的電壓Ui也會隨之升高，從而引起負載R的負載電壓的升高，由于穩壓二極管D1與負載R2并聯，只要有一定的增長，就會流過穩壓二極管D1的電流升高，使得增大，故使限流電阻R1的電壓增大，從而降低了因Ui的升高導致的輸出增大，進而保持負載電壓的基本不變

穩壓二極管穩壓電路的主要優缺點有這些：

①穩壓管穩壓電路的輸出電壓的誤差較大；

②穩壓二極管穩壓是將穩壓二極管并聯入電路,效率很低；

③穩壓二極管的最大工作電流較小；

④唯一的優點，電路的結構簡單方便電路的搭建。

利用三端集成芯片的穩壓器電路。如圖2-3所示，使用內部有過載保護電路且輸出電壓可調或者輸出電壓固定的三端集成穩壓芯片，若是輸出可調的集成穩壓芯片輸出電壓調整范圍寬，就加入一個電壓補償電路可實現輸出電壓從零伏起連續可調[4]。若是輸出固定的三端穩壓芯片，輸出在標定范圍左右波動（波動范圍由電路設計的紋波大小決定）。

圖2-3 三端集成穩壓器電路結構框圖

利用三端集成穩壓芯片制作的穩壓電路有著良好的穩壓特性，并且輸出電壓便于固定或調節，電路的輸出紋波電壓較小，穩定性較高，三端穩壓芯片應用廣泛價格較低，制作本低，電路結構簡單等特點。

串聯型直流穩壓電路，實際上就是在整流、濾波后的輸入直流電壓端加一個三極管，采用共射電路的原理搭建。當輸入電壓或者負載變化時引起輸出電壓變化，輸出電壓的變化將通反饋網絡輸入到調整三極管的基極，使UBE發生改變，于是UCE也隨之改變，從而調整輸出電壓，使之保持基本穩定[5]。

串聯型直流穩壓電路的系統結構如圖2-4所示，主要分為四個模塊。

（1）采樣電阻

由兩個固定阻值的電阻與一個電位器串聯組成的分壓電路。當輸出電壓因輸入電壓或者負載改變而發生變化時，采樣電阻對輸出變化量進行采樣，并傳輸到放大電路的反相輸入端。

（2）放大電路

放大電路中運算放大器的作用是將輸出電壓的波動差異放大，將放大后的信號接入調整三極管的基極。

（3）基準電壓

圖2.4中穩壓二極管提供一個電壓參照標準，也就是基準電壓。該基準電壓輸入到運算放大電路的同相輸入端。采樣電阻采樣的電壓輸入到運算放大電路的反相輸入端，進行差分運算放大。

圖2-4 串聯型直流穩壓電路

（4）調整管

調整三極管的基極與發射極有一個固定的電壓降UBE,當基極的電壓發生改變時，發射級的電壓也隨之改變，由于負載與發射極相連，從而調節了輸出電壓的穩定[]。

由于運算放大器需要外加電壓，單獨的串聯型直流穩壓電路結構較為簡單，但在加入電源以后，電路變得較為復雜，且穩定性偏低。

直流穩壓電源的設計除了以上四種還有兩只比較常見的電路：用單片機制作的可調直流穩壓電源、化學電池制作穩壓電源（DC-DC電源模塊）。

由于化學電池的輸出本身就是直流電，所以只需要進行升壓，穩壓即可制作一個比較簡易的直流穩壓電源（充電寶）。

通過對這幾種電路的了解以及認真的分析，從輸出電的穩定性以及輸出紋波電壓、最大輸出電流、電路實物的制作成本上來綜合考慮，我選取了三端集成穩壓電路。

直流穩壓電源一般包括四個模塊：變壓器電路、整流電路、濾波電路、穩壓電路，如圖2-5所示。

圖2-5 直流穩壓電源系統框圖

由于對輸出電壓的要求單一，故選用變壓器的時候應該選用無中間抽頭的單輸出變壓器，由于要求為輸出功率要求為5W,故采用10W單路輸出的變壓。橋式整流后的電壓：

                                                        公式（2.1）

由于電網電壓可能有的波動，所以留有一定的余量。在我們設計的過程中，在使用軟件仿真時信號輸入往往是沒有波動的，所以仿真的時候，輸出的直流電源往往是比較穩定的而電網中的電，是由四面八方匯總而來，不斷的輸入不斷的輸出，會導致有些波動，所以設計留有余量會使輸出數據更加的精準。

在選擇變壓器參數的時候，既要考慮變壓器的輸出電壓是非滿足后面電路二極管、三極管所工作的區，也要達到電路要求的最大電流以上，以免損壞變壓器，造成不必要的損失[7]。

由于二極管具有單向導電性，利用這一特性，就可以使二極管組成整流電路，可以將輸入的交流電壓轉換成單相的脈沖電壓。在小功率的直流穩壓電源中，經常使用的是半波整流、全波整流、橋式整流。

（1）半波整流如圖2-6所示，由單個整流二極管進行整流，由于二極管的單向導電性，交流電在一個周期內，有半個周期的正電壓，半個周期的負電壓，所以交流電在通過整流二極管后，通過的信號就只有正半周信號。

圖2-6 單向整流電路

（2）單相全波整流

全波整流需要變壓器有中間抽頭，使用兩個半波整流的電路，將整流后的輸出接入同一端，達到全波整流的目的，全波整流的原理圖如圖2-7所示。

圖2-7 全波整流電路圖

（3）橋整流電路

橋式整流電路由四個二極管構成，如圖2-8所示，當變壓器輸出端的電壓信號在正半周時二極管VD1與二極管VD4構成電路回路；當變壓器輸出端的電壓在負半周時二極管VD2與二極管D3構成電路回路，故最終將負半周的信號整流到了正半周[8]。

經過對三種整流電路的具體描述，可以分析總結它們的特性比較如表2-1：

經過比較我們可以看出，全波整流與橋式整流有著差異不大的整流效率，但是橋式整流電路對電源變壓器的要求較低，設計成本低，利于大規模的應用，綜合分析整流電路應該選用橋式整流。

圖2-8 橋式整流電路圖

表2-1 三種整流電路的特性比較

濾波電路就是將整流后的信號中的交流分量大部分濾去，得到直流分量，利用電容的特性（通交流隔直流）。

常見的幾種濾波電路有：電容濾波、電感濾波、L型濾波、Π型LC濾波、Π型RC濾波。

（1） 電容濾波，如圖2-9所示。

圖2-9 電容濾波電路

優點：電容濾波電路的輸出電壓高，在輸出是小電流時濾波效果好。

缺點：電容濾波的帶負載能力差，接入電源瞬時，充電的電流較大，整流管二極管將承受很大的瞬間電流，容易損壞整流二極管。

（2）電感濾波如圖2-10所示。

圖2-10 電感濾波電路

優點：電感濾波電路的帶負載能力較好，對負載波動濾波效果良好，且接入電源不會產生較大的電流來沖擊整流二極管管。

缺點：電感濾波電路的輸出電壓低，輸出電流大時要求互感器的扼流圈鐵芯要很大。電感所生的反向電壓可能擊穿元器件。

（3）L型濾波，如圖2-11所示。

優點: L型濾波電路的輸出電流較大，帶負載能力較好，濾波效果也好。

缺點:變壓器的扼流圈體積大成本高。

圖2-11 L型濾波電路

（4） Π型LC濾波，如圖2-12所示。

圖2-12 Π型LC濾波電路

優點: Π型LC濾波電路的輸出電壓高，電路的濾波效果好。

缺點:輸出電流小，負載能力差。

（5） Π型RC波，如圖2-13所示。

圖2-13 Π型RC濾波電路

優點:電路的濾波果，成本低，電阻R還有限流的作用。

缺點:電路帶負載能力差，輸出電流較小。

最后將五種濾波電路的特性比較繪制為表2-2。

表2-2 各自濾波電路的性能比較

本次選用的是集成三端穩壓芯片7805，7805是W7800系列中的一種穩壓芯片，穩壓輸出電壓為5V。輸出電流根據7805的不同型號參數有三個輸出電流：1.5A、500mA、100mA。該型穩壓芯片內部電路包括了串聯直流穩壓電路的部分，還加上了保護電路部分和啟動電路部分[9]。如圖2-14所示。

圖2-14 W7800系列內部結構示意圖

（1）調整管

在7805芯片中，兩個三極管組成調整管電路，這種結構使得放大電路可以用小電流來驅動調整三極管發射級較大的輸出電流，并且提高調整三極管的輸入電阻。

（2放電路

7805芯片中的放大電路，同調整管電路一樣，也是由多個三極管構成，放大電路的連接方式是共射電路，采用有源負載，這樣就可以獲得較大的放大倍數。

（3）基準電源

7805芯片中采用了具有噪聲低、溫漂低等特點的能帶間隙式的基準電壓源。

（4）采樣電路

采樣電阻是由一個固定阻值與一個電位器共同組成的分壓電路，對輸出電壓信號進行采樣，反饋到放大電路的輸入端。

（5）啟動電路

啟動電路是使剛接入輸入電壓時電路的各個部分都有自己合適的電壓。在整個電路穩定以后，啟動電路自動斷開，避免影響電路參數。

（6）保護電路

7805芯片內部含有過熱保護電路、限流保護電路，過壓保護電路。

三端集成穩壓器的輸出電流都因為集成芯片的內在因素有一定的限制，通過外接大功率三極管的方式，可實現輸出電流的擴大。如圖2-15所示。

圖2-15 擴流電路

在圖2-15中，輸出電流經三管的基極輸入，發射級輸出，由于三極管工作在放大區，故輸出電流被放大了。電路在接入兩個二極管VD，用以補償三極管的基極與發射極之間的電壓降,使電路的輸出電壓基本等于三端穩壓器的輸出電壓[10]。根據圖2-15可知：

                                                        公式（2.1）

通過改變電阻R1的阻值可以改變流過二極管VD的電流，使二極管兩端的電壓大約等于UBE，接入二極管也抑制了三極管的溫漂，輸出電壓更加穩定。電容C2的作用是濾掉二極管兩端的脈動電壓，從而減小輸出電壓的脈動部分。

簡易的限流保護電路如圖2-16所示，虛線框內的電路為限流保護電路模塊，由一個三極管Q1的基極與電阻R6串聯構成，電阻R6又與負載串聯，當負載電流增加，流過R6的電流也就增加，導致R6上電壓增加，增加到一定程度，使三極管Q1上有達到三極管導通的電壓降。三極管Q1導通后，三極管Q2基極上的電流被降低，從而起到限流的作用。

圖2-16 限流保護電路

如圖2-17所示，由于發光二極管或者蜂鳴器的最低驅動電壓為3V,所以利用運算放大器LM358,制作一個電壓比較器，達到輸出高電平的目的。

電壓比較器原理：當算M358正極輸入端的電壓大于負極輸入端，LM358輸出高電平。反之則輸出低電平。

將LM358的負極輸入端接入限流電路三極管的發射級，LM358的電源輸出由整流后的電壓提供。假設設置過流報警電流值為1.5A，由于限流電阻為0.5歐，擇此時限流電路三極管發射級電壓為，調節圖中滑動變阻器使LM358負極輸入端電壓為4.25V，這樣就是電路當電流大于1.5A時就發出報警。

圖2-17 過流報警電路

由于LM358需要提供直流12V電源，按照直流穩壓電源的原理，搭建直流穩壓電壓如圖2-18所示，為LM358提供直流12V電源。

圖2-18 直流12V電源

在橋式整流電路中，流經整流二極管的電流ID為輸出電流IO的一半，即為

                                                                                    公式（2.2）因輸出電流要求為1A，故。

整流二極管所要承受的最大反向電壓U為變壓器輸出有效值UO的倍，變壓器輸出有效值為24V，故二極管所承受的電壓為                            公式（2.3）

（2）濾波電容計算

根據電容充放電原理可知：

                                                                      公式（2.4）

因為最小負載電網的頻率為50HZ經過橋式整流后輸出頻率變為原來的兩倍即為100Z,由：

                                                                                                  公式（2.5）

可得。故。由于電網電壓會有波動，考慮波動為，故電容要承受的電壓為。

(1、滿足所需要的功能和性能條件，并且還要留有一定的余量。

(2)、選擇合適的封裝，因為在電子元器件組裝的時候會因為封裝的不同，給組裝增加一定的難度。

(3)、元器件被大量的使用情況，元件被使用得越多，那么相對來該元件也就比較成熟，出障率也就比較低。

(4)、性價比要較高，因設計得要求，我們選擇普通、工業級、軍工級得元件都要充其量得考慮性價比。實物被制造出來其價值要與成本相對匹配。

(5)、供貨渠道要充足，可能因為一段時間的供貨緊張導致我們所需要得元件難，這樣拖延了設計進度。

(6)、所選元器件要有可替代型號，所謂可替代型號指得是，功能、引腳、參數都近乎相同得元件，方便替換。

（1）變壓器

變壓器選擇220V變24V功率為10W的變壓器，因為電路輸出為5W，選擇10W的變壓器符合設計余量，24V是根據W7805穩壓芯片的壓差選擇的，較大一點的電壓更利于電路的帶負載能力。

（2）整流二極管

1N007是由硅半導體造的整流二極管，其正向壓降為1.1V，平均工作電流1A，反向擊穿電壓1000V。

（3）三端集成穩壓器

三端集成穩壓器7805，7805穩壓芯片有三個型號W7805、W78M05、W78L05

W7805最大輸出電流1.5A，W78M05最大輸出電流為500mA,W78L05最大輸出電流為100mA。7805穩壓芯片還會由于封裝不同導致功耗有些差異，具體差異如表2-3所示。

表2-3 7805封裝性能差異表

于電路要求輸出功率為5W，故選擇7805帶散熱器的穩壓芯片。

（4）電容的選擇

根據設計，兩次濾波電路中都加入了100nF的電容，由于要達到較好的濾波效果，在兩次濾波電路中都應該加入較大的電容，在大電容中以電解電容反應快，且價格實惠，但是由于電容太大，容易產生自激振蕩形成噪聲，故而加入100nF的瓷片電容來抑制自激振蕩，從而降低紋波電壓[11]。

（5）負載的選擇

選擇5歐的電阻作為負載，電路最大輸出功率為5W，故選擇5W的水泥電阻，散熱較快。

（6）功率三極管

本次選用的是2N3055這款功率三極管，主要參數為：最大工作電流為15A，最大工作電壓為50V，最大輸出功率為115W。

（7）運算放大器

LM358運算放大器，工作所需電壓3-30V，輸入共模電壓最大值VCC~1.5V。輸出電壓擺幅0到VCC-1.5V。

（1）直流穩壓電壓的實際應用

本設計要求設計一個5V1A的直流穩壓電源，該直流穩壓電源可滿足現在大部分小型無線設備的充電需求。諸如：手機，游戲機，相機等的電源供應。

（2）功能擴展

①加入防過充電路，可以保護電池的使用壽命以及提高全性。

②加入溫度采集模塊，采集電池溫度，在電池溫度異常升高時斷電，防止電池發生自燃。

③改進功率放大電路，使輸出功率提高，大幅度縮短充電時間，更加的便捷人們的生活。

④加入信號發射功能，在感知充電完成以后，向主人完成充電完成的信號傳遞，使產品使用更加的智能化。

本次我所使用到是Multisim14電路仿真軟件進行原理圖的仿真分析。

Multisim14是以系統為基礎的仿真工具，適用于數字、模擬電路板的仿真設計。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式[12]。

如圖3-1所示的電路中由一個交流信號發射器提供一個220V60Hz的交流信號，選擇一個匝數比為10：1的變壓器進行變壓，利用示波器觀察其波形變換，波形如圖3-2所示。

圖3-1 變壓電路

根據圖3-2示波器所示波形，我們可以看出輸入波形的峰峰值大約為306V，輸出波形的峰峰值大約為24V,經過計算可知輸入的波形大約縮小了十二倍左右變成了輸出波形。

圖3-2 變器輸出波形圖

本次設計在整流電路所選用的是橋式整流電路，如圖3-3所示，根據橋式整流的原理可以知道，整流后的波形負半周的波形被整流到了正半周，其輸出波形的有效值變為輸入波形有效值的1.2倍左右[1]。整流輸出波形如圖3-4所示：

圖3-3 橋式整流電路

圖3-4 整流輸出波形

根據圖3-4我們可以清楚的看到，負半周的波形被利用二極管的單向導通效應整流到了正半周，整流的信號效值用萬用表的測量變為原來號的1.2倍。

如圖3-5所示濾波電路四個電容組成的兩級濾波，達到濾波穩壓的效果，由于無法仿真雜波，故在信號輸入端接入交流信號整流后的信號進行濾波，在輸出端用示波器觀察輸出波形。如圖3-6所示。

圖3-5 濾波電路

圖3-6 濾波電路輸出波

根據圖3-6脈沖波形為輸入波形，直流波形為濾波以后的波形，可以看出輸入信號的交流成分被濾掉，剩下了直流成分，電壓有效值也變為原來的1.2倍，符合濾波的規律[14]。

圖3-7 穩壓電路

如圖3-7穩壓電路的仿真原理圖，將電路的各個部分整合起來，組成一個完整的直流穩壓電路。輸入端加上普通220V50Hz交流電，先將負載設定為5歐根據萬用表測量輸出直流壓為5.001V，輸出電流為1A。

（1）仿真測試直流穩壓電源的輸出穩定性

改變負載接入端的電阻阻值大小，測試電路的輸出電壓和輸出電流，并將輸出結果填寫入表3-1：

表3-1 仿真直流穩壓電源輸表

根據表3-1做輸出與輸出電壓的關系曲線如圖3-8所示，可知輸出電壓隨著輸出電流的增加基本保持穩定符合直流穩壓電源的設計要求。

圖3-8 輸出電壓變化曲線圖

（2）仿真測量直流穩壓電源的負載調整率

負載調整率：穩壓電源中，由于負載的變化會引起直流穩壓電源的輸出電壓的變化，當達到額定負載輸出時的輸出電壓，與空載電壓的變化率即為負載調整率[15]。

計算方法：

                                          公式（3.1）

測量方法：將電路空載利用萬用表或者示波器測量空載時的輸出電壓，在負載加入一個1千歐的電位器，將輸出電由零增加的1A，記錄輸出電壓的值。根據表3-1可知，空載輸出電壓為5.009V，滿載輸出電壓為4.997V,所以負載調整率為。

（3）仿真測試電壓調整率

電壓調整率：在輸為滿載的情況下，由于電網的波動，會導致輸出電壓發生波動。故可知，電壓調整率即為輸出電壓在輸入電壓變化的最大波動范圍與額定輸出的比值。

計算方法：

                                          公式（3.2）

測量方法：假定電網波動范圍在以內，調節輸入交流信號，測量輸出電壓，并比較找出變化量最大的值來計算電壓調整率。

根據實際測量當電網波動為-10%時輸出電壓為4.999V,當電網波動為+10%時輸出電壓為4.996V。故電壓調整率為。

（3）仿真測試紋波電壓方法

紋波壓：紋波電壓是直流穩壓電源中輸出電壓中的交流部分，紋波電壓的大小直接關系到直流穩壓電源的穩壓濾波系統的好壞，也就是整個直流穩壓電源的質量好壞。

測量方法：將電路接入負載，測量輸出紋波即為測量輸出電壓的峰峰值，將信號接入示波器通道A,將示波器波形測量調整到交流信號測量擋位進行測量，調節時間標度為每刻度20ms,電壓標度為每刻度。如圖3-9所示為仿真直流穩壓電源的紋波電壓。根據測試數據我們可以知道該直流穩壓電源的仿真輸出紋波電壓為。

圖3-9 直流穩壓電源紋波圖

（5）仿真測試過流報警電路

改變負載端電阻阻值使輸出流大于1.4A,觀察二極管是否發出過流報警。如圖3-10所示在電流大于1.4A，過流報警信號燈亮；增加電阻值使輸出電流小于1.4A，觀察過流報警情況，發光二極管并沒有發光報警，符合設計要求。

圖3-10 過流報警圖

（6）仿真總結

直流穩壓電源設計要求：

輸出電壓為5V,最大輸出電流為1A，輸出電壓得紋波電壓小于50mV，電壓調整、負載調整率均小于5%。

根據仿真測試我們可以知道，在電路接入電阻為5歐滿載時，輸出電壓為5.001V，輸出電流為1A。輸出電壓得紋波電壓小于1mV,測量仿真測試得電壓調整率為0.24%,負載調整率為0.08%，過流報警也基本符合要求。以上所仿真數據均滿足直流穩壓電源的設計要求可以按照仿真原理圖進行實物搭建。

（1）搭建原則：

分步搭建，逐步進行參數的測試，如遇測試結果未達到預期，應進行檢查，是否存在焊接錯誤，還是元器件的技術參數選擇不合適。及時糾正錯誤以便后續電路功能成功展現。

（2）搭建原理圖

根據圖4-1搭建電路原理圖。

圖4-1 實物原理圖

（1）空載輸出電壓

接通電源，用萬用表測量輸出端電壓值，并拍照記錄。如圖4-2所示。電路空載時的輸出電為5.263V。

圖42 空載輸出電壓

（2）最大電流輸出測試

在負載端串聯入5歐電阻，并在輸出端串聯一個電流檔萬用表。讀取電流檔表輸出數值，并拍照記錄，如圖4-3所示。

圖4-3 滿載最大輸出電流

（3）負載的電阻值變化時測量輸出電壓的穩定性

調節2K電位器，使電值依次減小，測量直流壓電源的輸出電壓和輸出電流。并將數據填寫入表4-1：

表4-1 負載變化的電路輸出

（4）紋波測試

紋波測試就是將輸出號接入示波器，檢測交流信號，交流信號的電壓峰峰值也就是輸出信號中的紋波。將輸出電壓信號接入示波器通道1，調節時間標度為每刻度為50ns,調節電壓標度為每刻度20mV,通過選擇測量將通道1的電壓峰峰值測量顯示在示波器上。測試數據如圖4-4所示：示波器測得的紋波電壓大小為29.6mV。

圖4-4 紋波波形圖

（5）過流報警測試

利用較小阻值電阻短暫接觸在負載端，聽蜂鳴器是否發出報警，若未報警，調節報警電路電位器，使蜂鳴器發聲。

（1）輸出電壓的穩定性分析

根據表4-1可知，當負載端電阻為5.7歐時，輸出電壓為4.48V,此時電壓較負載較小的數據差異較大，主要原因時限流電阻的分壓，由于限流電阻為0.5歐，當電流增加以后，限流電阻就會分得更多電壓導致輸出電壓降低。根據表4-1數據畫出輸電壓隨輸出電流變化的曲線圖如圖4-5所示。隨著電流的增加即負載的增加，電壓在逐步減小，但依舊被穩定在5V左右，符合直流穩壓電源的設計要求。

圖4-5 輸出電壓變化曲線圖

（2）負載調整率計算

計算公式：

                            公式(4.1)

由表4-1可知，空載時輸出電壓為5.263V，由表4-2可知滿載時輸出電壓為4.48V。故負載調整率計算值為。

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2021-7-20 16:02 上傳

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