CN1487642A - 过热保护电路 - Google Patents
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Abstract
一种半导体开关元件,它进行从电源到负载的电流路径的操作,实现导通状态和中断该路径的操作,而且是通过操作方式控制电路来控制的,以至于在其工作在第一种操作方式中时,当温度检测部分的温度增加而且达到预定中断温度时,从导通操作转变到中断操作,以及在第二种操作方式中,当温度检测部分的温度减小并且达到低于预定值的中断温度的返回温度时,中断操作转变到导通操作。每种操作方式是在两个正温度系数热敏电阻热耦合连接到温度检测部分的情况下受到控制的。
Description
技术领域
本发明涉及到一种提供在电源与负载之间的电流路径中的过热保护电路,例如,其用于在负载过热时通过中断电流路径来中断到负载的电流。
背景技术
在通信基站内作为电源使用的直流-直流变换器中,例如,当电源功耗的增加超过要求时,诸如场效应晶体管、功率晶体管等(作为电路元件使用)的半导体开关元件产生过热,最后该半导体开关元件呈现热击穿状态,而且在这些情况下,半导体开关元件将不再起到电源的作用。
因此,在用于防止这种过热的过热保护电路中,需要一种用于检测过热状态的温度检测元件。作为温度检测元件,例如大家都知道的温度保险丝。就温度保险丝的情况来讲,一旦电路被中断,如果保持原样,电路就不能返回到它的初始状态,因此,必须设置新的温度保险丝,其意味着需要相关的劳动时间和成本。
另一方面,正温度系数的热敏电阻能够使用作为温度检测元件。就正温度系数热敏电阻而论,因为正温度系数热敏电阻在其被切断之后可以返回到它的初始状态,不象温度保险丝,所以就不需要用于设置元件所需的的劳动时间,因此,其优点是降低了成本。
到目前为止,已知的作为使用正温度系数热敏电阻的过热保护电路有图8中所显示的电路。这种相关的过热保护电路由第一串联电路和第二串联电路组成,第一串联电路具有第一电阻R1、单个的正温度系数热敏电阻PTC和第二电阻R2,第二串联电路具有负载LOAD、开关晶体管Tr1和第三电阻R3。正温度系数热敏电阻PTC安排在开关晶体管Tr1附近,而且其阻抗值根据开关晶体管Tr1的温度变化。在这种情况下,正温度系数热敏电阻PTC的温度检测目标是开关晶体管Tr1。当开关晶体管Tr1的温度是正温度系数热敏电阻PTC的居里点或者更低时,由具有较低电阻值的正温度系数热敏电阻PTC使开关晶体管Tr1处于导通状态并且电流流入负载LOAD。另一方面,当因为流入负载LOAD的电流变化等原因导致开关晶体管Tr1的温度增加时,正温度系数热敏电阻PTC的温度达到居里点和超过居里点,因为正温度系数热敏电阻PTC的电阻变高,就是说,变成一个预定数值或者更高,由于具有高电阻值的正温度系数热敏电阻PTC使流入开关晶体管Tr1的基极电流减小,因此开关晶体管Tr1被中断并且流入负载LOAD的电流停止。在执行中断操作时的正温度系数热敏电阻PTC的检测温度是与中断温度向对应的。在这个电路中,因为流入负载的电流停止,不正常的电导通停止,所以,温度检测目标(在此例中是开关晶体管Tr1,)的温度下降。当由于温度下降导致正温度系数热敏电阻PTC的电阻变得比预定值低时,由于流入开关晶体管Tr1的基极电流增加超出预定值,所以开关晶体管Tr1返回到电流流入负载的状态。在执行返回操作时的正温度系数热敏电阻PTC的检测温度是与返回温向对应的。在这个电路中,中断温度与返回温度相同或者接近返回温度。
然而,当温度检测目标的温度在中断温度附近波动时,中断温度处正温度系数热敏电阻的电阻大大地改变,因为中断温度与返回温度相同或者靠近它,存在一个危险是半导体开关元件在导通状态与中断状态之间交替地变化。从电源寿命的观点看,不希望短时间周期内这种导通状态与中断状态交替地变化。于是,如果中断温度与返回温度可以如此设置以致于中断温度是一个高于返回温度的预定温差,因此可以避免中断操作与返回操作之间在短时间周期内的交替变化。然而,在图8所示相关的热防护电路中,不能实现这样的温差。
发明内容
为了克服上面描述的问题,本发明的优选实施例提供一种包括一个正温度系数热敏电阻的过热保护电路,该过热保护电路能够在相对短时间周期内交替地导通与中断。
本发明优选实施例的过热保护电路包括:
半导体开关元件,它设置在从电源到负载的电流路径中,并且执行使电流路径导通的操作和中断该电流路径的操作:以及操作方式控制电路,它用于以第一种和第二种操作方式控制所述的半导体开关元件,第一种操作方式是,当温度检测部分的温度增加而且达到预定中断温度时,它控制所述半导体开关元件从导通操作转变到中断操作,而第二种操作方式是,当温度检测部分的温度减小并且达到低于预定值的中断温度的返回温度时,控制所述半导体开关元件从中断操作转变到导通操作。在过热保护电路中,操作方式控制电路包括:第一正温度系数热敏电阻、第二正温度系数热敏电阻和控制元件,而且,在第一种操作方式中利用第一正温度系数热敏电阻的电阻变化以及在第二种操作方式中利用第二正温度系数热敏电阻的电阻变化,半导体开关元件的操作状态的改变是由控制元件来控制的,并且第一和第二操作方式中的每一个都是在两个正温度系数热敏电阻与温度检测部分热耦合连接的状态下受到控制的。
在此,温度检测部分是为了保护指定主体免遭过热而检测温度的部分。例如,它是一个负载或者是一个靠近该负载以便传送负载热量的部分,是能够执行以上所述导通操作和中断操作的半导体开关元件,或者是靠近半导体开关元件传送来自半导体开关元件的热的部分。
根据本发明的优选实施例,当温度检测部分的温度增加并且达到预定的中断温度时,通过热耦合到温度检测部分的第一正温度系数热敏电阻的电阻变化使得导通操作转变到中断操作,而当温度检测部分的温度减小并且达到比中断温度要低一预定值的预定返回温度时,通过热耦合到温度检测部分的第二正温度系数热敏电阻的电阻变化使得中断操作转变到导通操作,从而,在中断温度与返回温度之间设置了指定的温度差。因此,在温度检测部分的温度变得如返回温度那么低之前,中断状态不会返回到导通状态。所以,可以防止异常的过热,并且可以制止在短时间周期内重复导通与中断的问题。因此,由于可以稳定从电源向负载提供的电源,并且可以消除给电源的不必要的负荷,因此能够使装备有过热保护电路的电路或装置正常地工作。
在本发明优选的实施例中,更可取的是,控制元件是控制晶体管,第一正温度系数热敏电阻连接在控制晶体管的基极与半导体开关元件的输出端之间,而第二正温度系数热敏电阻连接在控制晶体管的基极与半导体开关元件的输入端之间。在这种情况下,更可取的是,半导体开关元件是开关晶体管,而且控制晶体管的集电极直接地或者经过限流电阻连接到开关晶体管的基极。
在本发明优选的实施例中,更可取的是,控制元件是控制晶体管,第二正温度系数热敏电阻连接在半导体开关元件的输入端与输出端之间,而第一正温度系数热敏电阻连接在半导体开关元件的输出端与控制晶体管的基极之间。在这种情况下,更可取的是半导体开关元件是开关晶体管,而且控制晶体管的集电极直接地或者经过限流电阻连接到开关晶体管的基极。
此外,在本发明的优选实施例中,一个齐纳二极管连接到控制晶体管的发射极,以致使该齐纳二极管的极性方向与控制晶体管的基极和发射极之间的极性方向相反。
此外,在本发明优选的实施例中,半导体开关元件构成温度检测部分,以及两个正温度系数热敏电阻热耦合连接到该半导体开关元件。
从下列参考附图对优选实施例的详细描述中,本发明的其它特点、元件、特性和优点将会变得更明显。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的过热保护电路的电路图;
图2A是显示开关晶体管与正温度系数热敏电阻之间热耦合连接的例子之一的垂直截面图;
图2B是显示开关晶体管与正温度系数热敏电阻之间热耦合连接的另一个例子的顶视图;
图3示出第一正温度系数热敏电阻和第二正温度系数热敏电阻的电阻与温度特性曲线;
图4是根据本发明另一个优选实施例的过热保护电路的电路图;
图5是根据本发明另一个优选实施例的过热保护电路的电路图;
图6是根据本发明另一个优选实施例的过热保护电路的电路图;
图7是根据本发明另一个优选实施例的过热保护电路的电路图;以及
图8是一个相关的过热保护电路的电路图。
具体实施方式
在下文中,将参考附图描述本发明的优选实施例。
图1到3显示本发明的优选实施例。图1是根据本发明优选实施例的过热保护电路电路图,图2A和2B显示图1中正温度系数热敏电阻与开关晶体管之间的热耦合连接,而图3显示图1中正温度系数热敏电阻的电阻与温度的特性曲线。在图1中,过热保护电路10更可取的是包括一个中断电路11和操作方式控制电路12。在图1中,示出了电源13(直流电源,例如,直流-直流变换器、电池等)、负载14和电源开关15。
中断电路11包括一个开关晶体管Tr0作为半导体开关元件,它设置在从电源13到负载14的电流路径16中,而且执行使电流路径16导通和中断电流路径16的操作。开关晶体管Tr0的集电极和发射极串联地***在路径16中。在此,开关晶体管Tr0具有双极性的晶体管,它的发射极构成连接到电源13一侧的输入端,集电极构成连接到负载14一侧的输出端,而基极构成一个控制端,当施加来自作为控制元件的控制晶体管Tr1的控制信号时,该控制端使得集电极和发射极变成导通,以及中断集电极和发射极,这将在以后描述。
操作方式控制电路12包括:第一正温度系数热敏电阻PTC1,第二正温度系数热敏电阻PTC2,起控制元件作用的控制晶体管Tr1,齐纳二极管ZD和一对电阻R1与R2。如图2A与2B所示,正温度系数热敏电阻PTC1和PTC2是热耦合连接到开关晶体管Tr0以便构成温度检测部分;热敏电阻PTC1与PTC2设置在其温度根据开关晶体管Tr0的温度而改变的一个部分中,从而改变热敏电阻PTC1与PTC2的阻抗值。在图2A的情况下,开关晶体管Tr0与正温度系数热敏电阻PTC1和PTC2分别提供在印刷电路板BD的上表面和下表面。正温度系数热敏电阻PTC1与PTC2都是热耦合连接到开关晶体管Tr0,以致于由开关晶体管Tr0产生的热经过印刷电路板BD传递到位于的开关晶体管Tr0的下面的热敏电阻PTC1与PTC2。在图2A的情况下,开关晶体管Tr0与正温度系数热敏电阻PTC1和PTC2分别安排在印刷电路板BD的相同表面以致于彼此接近。两个正温度系数热敏电阻PTC1与PTC2都是与开关晶体管TrO热耦合连接,以致于由开关晶体管Tr0产生的热经过印刷电路板BD传递到位置靠近开关晶体管Tr0的热敏电阻PTC1与PTC2。
这个温度检测部分没有限制在开关晶体管Tr0的附近,例如,当本优选实施例的过热保护电路设置在电子设备的罩内时,在罩内的任何合适的地方都可以用作温度检测部分。此外,当本优选实施例的过热保护电路被使用在具有电动机作为负载的电源电路中时,该电动机或者它的附近都可以用作温度检测部分。
在操作方式控制电路12以第一种操作方式工作时,当开关晶体管Tr0衬底(起温度检测部分作用)附近的温度由于开关晶体管Tr0热扩散增加时,以及正温度系数热敏电阻达到中断温度(例如大约120℃)时,则从导通操作转变成中断操作;而在第二种操作方式中,当衬底的温度减少而且正温度系数热敏电阻达到返回温度(例如,大约100℃)时,则从中断操作变换回到导通操作。
在本优选实施例中,为了完成上面描述的控制操作,正温度系数热敏电阻PTC1与PTC2彼此具有不同的居里点,而且每个热敏电阻PTC1与PTC2的电阻与温度特性参考图3进行描述。第一正温度系数热敏电阻PTC1,在中断温度T1处达到阻抗值Rp1以便减小基极电流并且断开控制晶体管Tr1,而在第二正温度系数热敏电阻PTC2,在返回温度T2处达到阻抗值Rp2以便增加基极电流从而使控制晶体管Tr1导通。
正温度系数热敏电阻PTC1与PTC2最好由陶瓷材料制造,其通过添加非常少量的稀土金属到钛酸钡(BaTiO3)中,并且烧结该混合物而生成,并且在中断和返回温度处明显地显示出正电阻-温度特性曲线。该温度可以通过主要成分和添加剂的调整来设置。在这些热敏电阻之中,有表面安装类型、螺旋类型、离散类型等等,通过利用在检测环境温度时其阻抗值变化的特性,让它们起到过热保护元件的作用。
下面将描述操作方式控制电路12的连接。第一正温度系数热敏电阻PTC1经过偏压电阻R1连接在开关晶体管Tr0的集电极与控制晶体管Tr1的基极之间。第二正温度系数热敏电阻PTC2经过偏压电阻R1连接在开关晶体管Tr0的发射极与控制晶体管Tr1的基极之间。
开关晶体管Tr0的基极经过一个限流电阻器R3连接到控制晶体管Tr1的集电极。控制电阻Tr1的发射极经过齐纳二极管ZD连接到电源13与负载14之间的另一条路径17。这个齐纳二极管ZD如此连接以致于其具有与控制晶体管Tr1的基极与发射极之间相反的极性。偏置电阻R2连接到控制晶体管Tr1的基极。
此外,齐纳二极管ZD具有改善开关晶体管Tr0的基极电流中断特性的功能。
在此,描述其工作。当电源开关15闭合时,因为开关晶体管Tr0是断开的,来自电源13的电流没有流入第一正温度系数热敏电阻PTC1,但是经过第二正温度系数热敏电阻PTC2和偏置电阻R1提供一个电流给控制晶体管Tr1的基极。因此,促使控制晶体管Tr1成导通状态。在这种情况下,因为开关晶体管Tr0没有发热,所以由于开关晶体管Tr0的温度使得第二正温度系数热敏电阻PTC2具有低电阻值。在这种条件下,因为第二正温度系数热敏电阻PTC2的电阻值低,所以由第二正温度系数热敏电阻PTC2和偏置电阻R1与R2的电阻值来确定的流向控制晶体管Tr1的基极的基极电流,并且使控制晶体管Tr1成为导通状态。
当控制晶体管Tr1导通时,开关晶体管Tr0的基极电流Ib经过限流电阻器R3流向控制晶体管Tr1,而且因为开关工作而使开关晶体管Tr0导通。当开关晶体管Tr0导通时,电流路径16导通,而结果来自电源13的电流提供给负载14。此外,第一正温度系数热敏电阻PTC1也处于导通,而且电流从第一正温度系数热敏电阻PTC1流入控制晶体管Tr1的基极。
当由于负载变化开关晶体管Tr0的温度增加时,虽然第二正温度系数热敏电阻PTC2的温度增加并且它的电阻值迅速地增加到Rp2,但是因为第一正温度系数热敏电阻PTC1没有达到Rp1,所以开关晶体管Tr1还是没有中断。然后,当开关晶体管Tr0的温度进一步增加而且第一正温度系数热敏电阻PTC1达到中断温度时,第一正温度系数热敏电阻PTC1的电阻值达到Rp1,控制晶体管Tr1的基极电流中断,而控制晶体管Tr1从导通状态切换到中断状态。当开关晶体管Tr1中断时,如上所述相同的方式,开关晶体管Tr0中断。这是第一种操作方式。在这种方式中,可以防止开关晶体管Tr0损坏。此外,在图3中,箭头(1)显示沿该箭头方向的操作方式,其中第一正温度系数热敏电阻PTC1温度T1的左侧用虚线表示达到用于中断控制晶体管Tr1处的电阻值Rp1,它表示导通状态,而用实线显示的右侧,它表示中断状态。此外,虽然为了容易理解箭头(1)用超过温度T1的实线来显示,因为防止了开关晶体管Tr0的过热,所以实线实质上不会超出温度T1。
当开关晶体管Tr0中断时,开关晶体管Tr0中的电流停止而且在开关晶体管Tr0内因为自热造成的温度下降。此外,当开关晶体管Tr0中断时,因为第一正温度系数热敏电阻PTC1中断,为了使开关晶体管Tr0再导通,需要第二正温度系数热敏电阻PTC2的温度降低到T2,而且需要使控制晶体管Tr1导通。
当开关晶体管Tr0的温度降低时,第二正温度系数热敏电阻PTC2达到返回温度而且电阻值达到Rp2,基极电流流向控制晶体管Tr1的基极,而且使控制晶体管Tr1导通。因此,开关晶体管Tr0返回到导通状态。这是第二种操作方式。此外,在图3中,箭头(2)显示沿该箭头方向的操作方式,其中第二正温度系数热敏电阻PTC2温度T2的右侧,达到了用于使控制晶体管Tr1导通处的电阻值Rp2,用实线表示,它表示中断状态;而用虚线显示的左侧,它表示导通状态。此外,虽然为了容易理解箭头(2)用超过温度T2的实线来显示,因为防止了开关晶体管Tr0的过热,所以实线实质上不会超出温度T2。T1与T2之间的区域显示中断与返回温度之间的温度差。
由此可见,根据本优选实施例,因为使开关晶体管Tr0导通的返回温度设置得大大低于开关晶体管Tr0过热时中断的温度,所以不存在开关晶体管Tr0的中断与导通在相对短暂的时间内交替变换的情况。
本发明并没有限制于上面所描述的优选实施例,而是可以有各种各样的修改。
例如,在如图4所示的本发明优选实施例的过热保护电路中电阻R1与R3可以省略。此外,可以提供电阻R4以代替齐纳二极管ZD。
在如图5所示的本发明另一个优选实施例的过热保护电路中,开关晶体管Tr0和控制晶体管Tr1的导通模式可以随着电路结构的改变而变化。
在本发明另一个优选实施例的过热保护电路中,可以使用图6中显示的电路结构。参考图6,在这个过热保护电路中,第二正温度系数热敏电阻PTC2并联连接在开关晶体管Tr0的集电极和发射极之间。在这种结构中,当电源开关15闭合时,因为两个正温度系数热敏电阻的电阻值是低的,所以使控制晶体管Tr1导通同时也使开关晶体管Tr0导通。因此,第二正温度系数热敏电阻PTC2被短路,于是基极电流经过第一正温度系数热敏电阻PTC1提供给控制晶体管Tr1。因为使开关晶体管Tr0导通,所以电流从电源13提供给负载。当开关晶体管Tr0的温度增加而且第一正温度系数热敏电阻PTC1的温度到T1时,因为两个正温度系数热敏电阻PTC1和PTC2的电阻值变高,所以控制晶体管Tr1中断。因此,开关晶体管Tr0也断开。由此可见,开关晶体管Tr0被保护使之免于过热。这是第一种操作方式。然后,在中断之后,即使开关晶体管Tr0的温度降低而且第一正温度系数热敏电阻PTC1的电阻值减小,因为开关晶体管Tr0中断,所以不能使控制晶体管Tr1导通。当因为开关晶体管Tr0自热的温度减小而且第二正温度系数热敏电阻PTC2的温度到T2时,因为第二正温度系数热敏电阻PTC2的电阻值减小,所以来自电源13的电流提供给控制晶体管Tr1的基极。因此,使控制晶体管Tr1导通同时也使开关晶体管Tr0导通。这是第二种操作方式。最后,在图6所示的过热保护电路中,如同图1中的一样,避免在开关晶体管Tr0中导通与中断之间的交替变换。此外,即使图6中开关晶体管Tr0与控制晶体管Tr1如图7所示改变,也可以获得同样的效果。
在本发明的优选实施例中,任何一双极性晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管,或者其它合适的器件都可以使用作为开关晶体管Tr0和控制晶体管Tr1。
如上所述,根据本发明的各种各样优选实施例,当温度检测部分的温度增加并且达到预定的中断温度时,由于热耦合连接到温度检测部分的第一正温度系数热敏电阻的变化,实现从导通操作到中断操作的转换,而当温度检测部分的温度减小并且达到预定的返回温度(其被设置低于中断温度)时,由于热耦合到温度检测部分的第二正温度系数热敏电阻的电阻变化而实现从中断操作到导通操作的转换。在这种状态之下,因为预定的温度差提供在中断温度与返回温度之间,在温度检测部分的温度减小到一个温度(比中断温度低的预定温度差)之前开关晶体管不返回到导通状态。因此,可以防止异常发热以及可以避免短时间内的导通与中断交替变换的问题。结果,从电源提供给负载的电功率可以稳定,电源的负荷可以消除,而且提供过热保护电路的电路或装置可以适当地工作。
本发明不局限于上面描述的每个优选实施例,在权利要求中描述的范围之内可以做出各种各样的修改。通过适当地结合每个不同优选实施例的技术手段,是能够获得在本发明技术范围内公开的实施例的。
Claims (15)
1.一种过热保护电路,其特征在于包括:
半导体开关元件,它设置在从电源到负载的电流路径中,并且执行使电流路径导通的操作和中断该电流路径的操作:以及
操作方式控制电路,它用于以第一种和第二种操作方式控制所述的半导体开关元件,第一种操作方式是,当温度检测部分的温度增加而且达到预定中断温度时,它控制所述半导体开关元件从导通操作转变到中断操作,而第二种操作方式是,当温度检测部分的温度减小并且达到低于预定值的中断温度的返回温度时,控制所述半导体开关元件从中断操作转变到导通操作;其中
操作方式控制电路包括:第一正温度系数热敏电阻、第二正温度系数热敏电阻和控制元件,而且,在第一种操作方式中利用第一正温度系数热敏电阻的电阻变化以及在第二种操作方式中利用第二正温度系数热敏电阻的电阻变化,半导体开关元件的操作状态的改变是由控制元件来控制的,并且第一和第二操作方式中的每一个都是在两个正温度系数热敏电阻与温度检测部分热耦合连接的状态下受到控制的。
2.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述控制元件是控制晶体管,第一正温度系数热敏电阻连接在所述控制晶体管的基极与所述半导体开关元件的输出端之间,而第二正温度系数热敏电阻连接在所述控制晶体管的基极与所述半导体开关元件的输入端之间。
3.根据权利要求2所述的过热保护电路,其特征在于所述半导体开关元件是开关晶体管,而且所述控制晶体管的集电极直接地或者经过限流电阻连接到所述开关晶体管的基极。
4.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述控制元件是控制晶体管,第二正温度系数热敏电阻连接在半导体开关元件的输入端与输出端之间,而第一正温度系数热敏电阻连接在半导体开关元件的输出端与控制晶体管的基极之间。
5.根据权利要求4所述的过热保护电路,其特征在于所述半导体开关元件是开关晶体管,而且控制晶体管的集电极直接地或者经过限流电阻连接到开关晶体管的基极。
6.根据权利要求2所述的过热保护电路,其特征在于一个齐纳二极管连接到控制晶体管的发射极,以致于所述齐纳二极管的极性方向与控制晶体管的基极和发射极之间的极性方向相反。
7.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述半导体开关元件构成温度检测部分,以及其中两个正温度系数热敏电阻与所述半导体开关元件热耦合连接。
8.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述半导体开关元件限定为一个中断电路。
9.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述半导体开关元件的集电极和发射极串联地***在电流路径中。
10.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述操作方式控制电路包括一个齐纳二极管和一对电阻。
11.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述第一和第二正温度系数热敏电阻热耦合连接到所述半导体开关元件,以便构成温度检测部分。
12.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述第一和第二正温度系数热敏电阻彼此具有不同的居里点。
13.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述第一和第二正温度系数热敏电阻经过电阻与半导体开关元件连接。
14.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述第二正温度系数热敏电阻并联连接在半导体开关元件的集电极与发射极之间。
15.根据权利要求1所述的过热保护电路,其特征在于所述半导体开关元件包括双极型晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管之一。
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