功率放大器,功率放大器的特點(diǎn)及原理是什么? 利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波,即交流信號(hào)電流,三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍,β是三極管的交流放大倍數(shù),應(yīng)用這一點(diǎn),若將小信號(hào)注入基極,則集電極流過的電流會(huì)等于基極電流的β倍,然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來,就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號(hào),這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大,就完成了功率放大。 一、功率放大器的特點(diǎn) 向負(fù)載提供信號(hào)功率的放大器,通常稱為功率放大器。功率放大器工作時(shí),信號(hào)電壓和電流的幅度都比較大,因此具有許多不同于小信號(hào)放大器的特點(diǎn)。 l.功率放大器的效率 功串放大的實(shí)質(zhì)是通過晶體管的控制作用,把電源提供給放大器的直流功率轉(zhuǎn)換成負(fù)載上的交流功率。交流輸出功串和直流電源功率息息相關(guān)。一個(gè)功率放大器的直流電源提供的功率究竟能有多少轉(zhuǎn)換成交流輸出功率呢?我們當(dāng)然希望功率放大器最好能把直流功率(PE= EcIc)百分之百轉(zhuǎn)換成交流輸出功率(Psc=Uscisc)實(shí)際上卻是不可能的。因?yàn)榫w管自身要有一定的功率消耗,各種電路元件(電阻、變壓器等)要消耗一定的功率,這就有個(gè)效率問題了。放大器的效率η指輸出功率Psc與電源供給的直流動(dòng)率PE之比,即通常用百分比表示: η=Psc/PE 通常用百分比表示: η=Psc/PE×100% 效率越高,表示功率放大器的性能越好。 晶休管在大信號(hào)工作條件下,工作點(diǎn)會(huì)上下大幅度擺動(dòng)。一旦工作點(diǎn)跳出輸入或輸出特性曲線的線性區(qū),就會(huì)出現(xiàn)非線性失真。所以對(duì)聲頻功率放大器來說,輸出功率總要和非線性失真聯(lián)系在一起考慮。一般聲頻功率放大器都有兩個(gè)指標(biāo)棗最大輸出功率和最大不失真輸出功率。前者說明放大器的最大負(fù)載能力,后者表示不失真放大的能力。例如,兩臺(tái)擴(kuò)音機(jī)最大輸出功率都是50瓦,但一臺(tái)的最大不失真功率是40瓦,另一臺(tái)的最大不失真功率是30瓦,前者的性能就要比后者好些。 3、三種工作狀態(tài) 功率放大器按工作狀態(tài)的不同,可分為甲類、乙類和甲乙類三種。甲類放大器的特點(diǎn)是工作點(diǎn)選在輸出特性曲線線性區(qū)的中間位置,信號(hào)電流在整個(gè)周期內(nèi)都流通,失真小但效率低,輸出功率也小。乙類放大器工作點(diǎn)選在基極電流等于零的那條輸出特性曲線上,信號(hào)電流只在半周期內(nèi)流通,效率高,輸出功率大,但失真嚴(yán)重。第三類放大器的工作點(diǎn)既不象乙類放大選得那樣低,也不象甲類那樣高,電流截止的時(shí)間小于半周期,工作性能介于甲類和乙類之間。圖4一68中對(duì)功率放大器的三種工作狀態(tài)進(jìn)行了比較,可以幫助我們了解它們的特點(diǎn)。 二、變壓器耦合甲類功率放大器 圖4-69是變壓器耦合甲類聲頻功率放大器的典型電路。級(jí)間耦合采用了變壓器耦合方式。圖中Bl是輸入變壓器,B2是輸出變壓器。Rl、B2、R3和R4、R5、R6分別組成分壓式電流負(fù)反饋偏置電路,為BG1、BG2提供穩(wěn)定偏置。C1、C2、C3、C4為交流信號(hào)提供通路。經(jīng)BG1放大的交流信號(hào)電流ic1通過B1的初級(jí)線圈Ll,在次級(jí)線圈人兩端感應(yīng)出輸入信號(hào)電壓Usr2,加在BG2的基一射間進(jìn)行功率放大。放大的信號(hào)再通過B2耦合到揚(yáng)聲器放音。放大器為什么要采用變壓器耦合呢?這是因?yàn)楦鶕?jù)理論分析,為使功率放大器有最大的不失真功率輸出和高的效率,放大器中晶體管集電極回路有一個(gè)最佳電阻值,而實(shí)際的負(fù)載電阻值并不等于最佳值,所以需要用變壓器進(jìn)行阻抗變換,將實(shí)際負(fù)載電阻值變換到最佳值(稱為阻抗匹配)。為保證做到這一點(diǎn),輸出變壓器初次級(jí)圈數(shù)之比n應(yīng)滿足下面的關(guān)系: n=N初級(jí)/N次級(jí)=√R`fz/Rfz 其中Rfz為負(fù)載電阻,R'fz為最佳負(fù)載電阻。例如,若一功率放大路最佳負(fù)載電阻為375歐,所接揚(yáng)聲器音圈電阻為8歐時(shí),變比n=√375/8≈7,即應(yīng)選用初次級(jí)匝數(shù)比為7:1的輸出變壓器。 類似地,輸入變壓器將使功率放大器和前級(jí)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 計(jì)算表明,變壓器耦合甲類功率放大器的實(shí)際效率為30%左右,常用做功率放大器的推動(dòng)級(jí)。 三、乙類雙管推挽功率放大器 利用兩只型號(hào)相同、主要參數(shù)相同的晶體管,采用變壓器耦合組成工作在乙類狀態(tài)的推挽功率放大器,可以獲得高效率、低失真的功率放大。 乙類推挽功率放大器電路圖如圖4- 70所示。電路工作的主要特點(diǎn)是兩管交替工作,并將每管工作時(shí)所得半周期輸出波形進(jìn)行合成,完成不失真的放大。由圖4- 70可以看出,輸入變壓器B1次級(jí)和輸出變壓器B2初級(jí)都有中心抽頭。B1次級(jí)的L1和L2分別接在BG1和BG2的基椛浼??洌?Vぴ諦藕諾繆?/FONT>Usr輸入時(shí),兩管基一射極間的輸入信號(hào)ub1和Ub2大小相等,極性相反。由于兩管均未引人基極偏流,兩管將分別在Usr的兩個(gè)半周期內(nèi)導(dǎo)通,一管導(dǎo)通,一管截止,相互配合,交替工作/“推挽放大”的名稱由此得來。在輸出端,B2初級(jí)的L3和L4分別接在兩管集電極和電源負(fù)極之間,當(dāng)兩管交替輸出的集電極電流通過時(shí),在變壓器次級(jí)感應(yīng)出極性相反的電壓,最后正負(fù)半周合成為完整的波形。圖4一70中所標(biāo)正負(fù)號(hào)不加圈者表示Usr,正半周時(shí)的情況,加圈者表示負(fù)半周的情況。讀者可自行分析每半周時(shí)電路的具體工作過程。 需要指出,電路工作在乙類狀態(tài)時(shí),兩管基極都未設(shè)偏置。由于晶休管輸入特性曲線上存在一段“死區(qū)”,在信號(hào)正負(fù)半周交接的零值附近,出現(xiàn)沒有放大輸出的情況,反映到負(fù)載上就會(huì)出現(xiàn)波形的兩半周交界處有不銜接的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫“交越失真”,參看圖4一70。推挽放大器如果采用甲乙類放大方式,就可以大大減小交越失真。所以一般的實(shí)用電路,在靜態(tài)時(shí)都要給晶休管加上一定的正向偏壓。保證晶休管在信號(hào)電壓較低時(shí),仍處于良好導(dǎo)通狀態(tài)。 圖4一71是甲乙類推挽功率放大器電路圖。電路中,Rb1、Rb2、Re共同組成分壓式電流負(fù)反饋偏置電路,同時(shí)供給兩管正向偏壓。 推挽功率放大器的效率是比較高的,一般可達(dá)50%~70%。 變壓器耦合方式雖然有根多優(yōu)點(diǎn),但變壓器體積大而且笨重,功率損耗大。此外,變壓器是個(gè)電磁元件,通過變壓器的信號(hào)頻率不同,線圈所呈現(xiàn)的阻抗也不同。為了提高低頻響應(yīng),電磁要很大,線圈圈數(shù)就要很多才行。這勢(shì)必增大了匝間、岐間分布電容造成高頻的損失,影響整個(gè)放大器的頻率響應(yīng)。還有,從變壓器輸出端引人深度負(fù)反饋也容易自激,影響非線性失真的改善。為克服上述缺點(diǎn),可采用下面介紹的無變壓器功率放大器。 四、無變壓器的功率放大器 1.“OTL“互補(bǔ)對(duì)稱推挽功率放大器 “OTL”是無輸出變壓器推挽功率放大器的意思。實(shí)際OTL電路不僅不使用輸出變壓器,而且還去掉了輸入變壓器。它具有頻響寬、失真小、輸出功率大,有利小型化,集成化的優(yōu)點(diǎn),在聲頻放大等方面應(yīng)用日益廣泛。 互補(bǔ)對(duì)稱電路的工作原理可用圖4-72來說明。從推挽和波形合成的角度來講,電路與變壓器耦會(huì)推挽放大電路的工作原理是相同的。但這種互補(bǔ)電路利用PNP型晶休管和NPN型晶體管導(dǎo)電極性相反的特點(diǎn),將兩管分別接成射極輸出器的形式;兩管在作用上互相補(bǔ)償,在連接上互相對(duì)稱。它不需要專門的倒相電路就可以完成正負(fù)半周的放大,并在負(fù)載上合成波形。當(dāng)信號(hào)輸人時(shí),在正半周,BG1導(dǎo)通,BG2截止。BG1把正半周放大,發(fā)射極信號(hào)電流流過負(fù)載電阻Rfz,輸出正半周信號(hào)電壓。在信號(hào)負(fù)半周到來時(shí),BG2導(dǎo)通,BG1截止,發(fā)射極信號(hào)電流同樣流過負(fù)載電阻Rfz,輸出負(fù)半周信號(hào)電壓,這樣就在負(fù)載Rfz上獲得完整的信號(hào)波形。從理論上講,這種電路需要使用正負(fù)兩組電源。實(shí)用電路一般都采用一組電源供電。這時(shí)要在Rfz和兩管發(fā)射極間串聯(lián)一個(gè)大容量電解電容器,利用電容器充電后的直流電壓代替一組電源。同時(shí)電容器又為交流信號(hào)提供了通路。另外,還要給兩管的基極加一定偏置,以避免產(chǎn)生交越失真。 圖4-73是單電源供電的互補(bǔ)電路。 單電源供電的互補(bǔ)電路,信號(hào)放大原理與雙電源供電原理一樣。只是C的作用是代替一組電源,下面著重談?wù)凜的作用。 當(dāng)BG1導(dǎo)通、BG2載止時(shí)。Ic1流過Rfz,并向C正向充電。忽略BG1集一射間正向壓降和負(fù)載上的壓降不計(jì)時(shí),C兩端電壓將充到與Ec。相等,在另外半周,BG2導(dǎo)通、BG1載止時(shí),電源Ec加不到BG2上了,但電容C兩端已充好的電壓可為BG2供電,使BG正常工作。這時(shí)的Ic2,正是C的放電電流。C的容量一般要有幾百微法到幾千微法。它的大小直接影響放大器的低頻響應(yīng)。圖4-73中的RB是兩管的偏置電阻。當(dāng)推動(dòng)管BG靜態(tài)集電極電流Ic通過Rb時(shí),Rb兩端上正下負(fù)的壓降使兩管基極都獲得正向偏置,保證電路工作在甲乙類放大狀態(tài)。 “另外,因?yàn)榉糯筝敵鍪巧錁O輸出形式,同時(shí)從交流通道來看兩管又是并聯(lián)的,所以輸出電阻很小,可以帶低阻抗的負(fù)載。聲頻放大時(shí),輸出負(fù)載棗揚(yáng)聲器可以直接接入,省去了輸出變壓器。 綜上所述,互補(bǔ)電路革除了輸人、輸出變壓器,為加深度位反饋、改善失真和提高放大器的性能創(chuàng)造了條件。 2.OTL準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱推挽功率放大器 在要求輸出功率大的場(chǎng)合,可以采用復(fù)合管代替互補(bǔ)對(duì)稱管,構(gòu)成OTL準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱推挽功率放大器。復(fù)合管系由兩只晶休管采用復(fù)合接法構(gòu)成的高B大功率管,,如圖4一74所示。每只復(fù)合管都可看作是一個(gè)直接耦合的小放大器,其型屬由第一只管子是PNP型還是NPN型決定。由于復(fù)合管的B等于每管電流放大系數(shù)之積。我們選擇功放中的復(fù)會(huì)管時(shí),可以通過搭配,得到特性接近一致的兩只管子。這就克服了較大功率的NPN管和NNP管特性難于一致的困難,避免了不對(duì)稱引起的失真。 周4-75是采用復(fù)合管的準(zhǔn)對(duì)稱互補(bǔ)功放電路圖。圖中BG1、BG2組成NPN型復(fù)合管,BG3、BG4組成PNP型復(fù)合管。二極管口的作用,是利用它在溫度升高時(shí)正向電阻下降的特性,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)偏壓的目的。 3.“OCL”,互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器 “OCL”電路是沒有輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱電路。它與OTL電路的區(qū)別,是取消了單電源供電OTL電路中的輸出電容C。這就使得OCL放大器在性能方面優(yōu)于OTL電路在高保真(HiFi)擴(kuò)音系統(tǒng)中被廣泛采用。 如前所述,OTL電路中輸出電容的接入是為了代替一組電源,實(shí)現(xiàn)單電源供電。但電容直接影響著放大器頻率響應(yīng)的擴(kuò)展,帶來頻率失真。如果采用正負(fù)兩組電源供電,輸出電容就可以去掉了。OCL互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖4?/FONT>76(a)所示。 由于電路去掉輸出電容,負(fù)載(揚(yáng)聲器)直接接在兩復(fù)合管的集一射極間,構(gòu)成了全電路的直接耠合。于是,電路零點(diǎn)漂移問題就突出了。 OCL電路的“零點(diǎn)”指的是圖4-76(a)中的A點(diǎn)。A點(diǎn)的直流電位要始終保持為零。一旦偏離零位,A點(diǎn)通過負(fù)載對(duì)“地”有了直流電壓,內(nèi)阻很小的負(fù)載中就將有很大的直流電流通過,既威脅揚(yáng)聲器的安全,又破壞了電路的對(duì)稱平衡。 采用差動(dòng)電路和直流負(fù)反饋的辦法,可以抑制A點(diǎn)零位的漂移。如圖4一76(b)所示,BG1和BG2組成差動(dòng)電路。當(dāng)A點(diǎn)電位偏高時(shí),差動(dòng)電路自動(dòng)維持A點(diǎn)零電位的過程如下:A點(diǎn)電UA↑Ube2→Ie2↑→UR3↑→Ube1↑→Ic1↓→UR2↓→Ube3↓→Ic3↓→UR8.9↓→復(fù)合管的Ube6.7↓→Ic6.7↑→Uce6.7↓(內(nèi)阻減小)↓UA→。反之,則A點(diǎn)電位上升。這樣就達(dá)到A點(diǎn)電位的穩(wěn)定。 圖4-76(a)電路中,C6叫自舉升壓電容,它能提高正向輸出幅度。Re、R5、C3組成分壓式交流負(fù)反饋電路,R5越大,負(fù)反饋越深。R4、C是差動(dòng)管的電源濾波電路。C用以防止高頻自激。 無變壓器功率放大器中還有采用輸人變壓器或利用推動(dòng)管集電極、發(fā)射極輸出相位相反來進(jìn)行倒相的。其工作原理與互補(bǔ)電路大同小異,不再贅述。 五、功率放大器對(duì)元件的要求 功牢放大器通常工作在大電壓、大電流的情況下,這就要求放大器的無件要有一定的可靠性和穩(wěn)定性。 電阻器的選用 功放級(jí)輸出電流一般擁比較大。輸出管的發(fā)射極電阻要選用功率(瓦數(shù))比較大的電阻?;パa(bǔ)對(duì)稱電路PNP和NPN復(fù)。合管的偏置電阻,最好數(shù)值相等,誤差不能太大。特別是OCL電路中的電阻器要選用穩(wěn)定性高的碳膜或金屬膜電阻。半可變電阻要質(zhì)量好,接觸牢靠。OCL、OTL電路中做復(fù)合管基極偏置電阻的可調(diào)電阻器一旦接觸不良,功串管就很容易因電流劇增而損壞,最好還是調(diào)好后用固定電阻代替。 電容器的選用 聲頻功放電路中使用最多的是電解電容,要選用漏電小,耐壓高的優(yōu)質(zhì)電容器。特別是OCL、OTL電路中使用的電解電容器,重要精選;電路的許多故障往往就出在電容器上。電解電密器的耐壓值必須高于實(shí)際的工作電壓。 3.對(duì)晶休管的主要要求 功率放大器為了獲得較大的輸出功率,在輸出信號(hào)不失真的前題下,”要求功放管的動(dòng)態(tài)集電極電壓和電流有最大的幅度。所以,一般功率管都運(yùn)用在極限狀態(tài)。晶體管的主要極限多數(shù)是:集電極最大允許電流ICM,反向擊穿電壓BVceo,集電極最大允許耗散功率Pcm等。使用時(shí),這三項(xiàng)參數(shù)都不能超過晶休管手冊(cè)繪出的數(shù)值,否則將引起晶體管損壞。 在高保真聲頻放大器中,還要考慮管子的頻率特性。因?yàn)楣韫艿慕刂诡l率比低頻鍺管高得多,一般OCL電路中功率管大都使用硅管。硅管飽和壓降大,電源電壓應(yīng)考慮用得高一些。 工北管工作在極限狀態(tài),因此散熱措施也很重要。散熱片最好使用銅質(zhì)或鋁質(zhì)的。散熱片表面積大一些好。增加厚度要比增加面積有效。散熱片垂直放置比水平放置散熱效果好。
在 “低頻電子線路”課程中已知,放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同,將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360o適用于小信號(hào)低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于 180o;丙類放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作。 丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大,因而不能用于低頻功率放大,只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然極近于正弦波形,失真很小。 除了以上幾種按電流流通角來分類的工作狀態(tài)外,又有使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)的了類放大和戊類放大。丁類放大器的效率比丙類放大器的還高,理論上可達(dá)100%,但它的最高工作頻率受到開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率或陽極耗散功率)的限制。如果在電路上加以改進(jìn),使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小,則工作頻率可以提高。這就是戊類放大器。 我們已經(jīng)知道,在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率,必須采用低頻功率放大器,而且低頻功率放大器也是一種將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為交流輸出的能量轉(zhuǎn)換器。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高,但二者的工作頻率和相對(duì)頻帶寬度卻相差很大,決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低,但相對(duì)頻帶寬度卻很寬。例如,自20至 20000 Hz,高低頻率之比達(dá) 1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負(fù)載,如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高(由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz),但相對(duì)頻帶很窄。例如,調(diào)幅廣播電臺(tái)(535-1605 kHz的頻段范圍)的頻帶寬度為 10 kHz,如中心頻率取為 1000 kHz,則相對(duì)頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高,則相對(duì)頻寬越小。因此,高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn),使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同:低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類(限于推挽電路)狀態(tài);高頻功率放大器則一般都工作于丙類(某些特殊情況可工作于乙類)。近年來,寬頻帶發(fā)射機(jī)的各中間級(jí)還廣泛采用一種新型的寬帶高頻功率放大器,它不采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路,而是以頻率響應(yīng)很寬的傳輸線作負(fù)載。這樣,它可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率,而不必重新調(diào)諧。 綜上所述可見,高頻功率放大器與低頻功率放大器的共同之點(diǎn)是要求輸出功率大,效率高;它們的不同之點(diǎn)則是二者的工作頻率與相對(duì)頻寬不同,因而負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和工作狀態(tài)也不同。 六、高頻功率放大器 高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有:輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度(或信號(hào)失真度)等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的,在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求,突出一些指標(biāo),兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路,防止干擾是主要矛盾,對(duì)諧波抑制度要求較高,而對(duì)帶寬要求可適當(dāng)降低等。 功率放大器的效率是一個(gè)突出的問題,其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類和丙類等。為了提高放大器的工作效率,它通常工作在乙類、丙類,即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域。但這些工作狀態(tài)下的放大器的輸出電流與輸出電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)大,不能采用諧振回路作負(fù)載,因此一般工作在甲類狀態(tài);采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類。高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)小,可以采用諧振回路作負(fù)載,故通常工作在丙類,通過諧振回路的選頻功能,可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分,選出基波分量從而基本消除了非線性失真。所以,高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。高頻功率放大器因工作于大信號(hào)的非線性狀態(tài),不能用線性等效電路分析,工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。這種分析方法的物理概念清楚,分析工作狀態(tài)方便,但計(jì)算準(zhǔn)確度較低。 以上討論的各類高頻功率放大器中,窄帶高頻功率放大器:用于提供足夠強(qiáng)的以載頻為中心的窄帶信號(hào)功率,或放大窄帶已調(diào)信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)倍頻的功能,通常工作于乙類、丙類狀態(tài)。寬帶高頻功率放大器:用于對(duì)某些載波信號(hào)頻率變化范圍大得短波,超短波電臺(tái)的中間各級(jí)放大級(jí),以免對(duì)不同fc的繁瑣調(diào)諧。通常工作于甲類狀態(tài)。
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