Auswahl und Anwendung von IsoMOVs für maximale Spannungsspitzenunterdrückung bei minimalem Platzbedarf

Von Bill Schweber

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Mit der zunehmenden Verbreitung elektronischer Geräte und der Weiterentwicklung der Vorschriften zur Benutzersicherheit suchen die Entwickler nach Möglichkeiten, den Schutz der Geräte zu verbessern und gleichzeitig die Kosten und den Platz auf der Leiterplatte zu minimieren. Das Problem ist, dass der Schutz von Stromkreisen ähnlich wie eine Versicherung ist: Er mag wie eine unnötige Ausgabe erscheinen, bis er gebraucht wird. Dieser Schutz ist für eine Vielzahl von internen und externen Fehlern und Störungen erforderlich, einschließlich interner und externer Kurzschlüsse, Überströme und Überspannungssituationen. Diese Ereignisse können ein System vorübergehend oder dauerhaft außer Betrieb setzen, das System, seine internen Komponenten oder die Last beschädigen und sogar zu Verletzungen des Benutzers führen.

Es gibt keine einzige Schutzlösung, die für alle Fehler und Situationen geeignet ist. Wenn es beispielsweise um die Implementierung eines Überspannungsschutzes (OVP) geht, sind Überspannungsableiter wie Gasentladungsröhren (GDTs) im Allgemeinen besser für langfristige Fehler geeignet, während Überspannungsbegrenzer wie ein Metalloxidvaristor (MOV) besser für transiente Ereignisse geeignet sind. GDTs leiden jedoch unter „Überbrückungsstrom“, und MOVs können dauerhaft ausfallen und aufgrund von thermischem Durchgehen gefährlich hohe Temperaturen erreichen. Die Verwendung beider Komponenten in Reihe geschaltet in einem hybriden Ansatz kompensiert alle potenziellen Probleme, aber dieser Ansatz verkompliziert das Platinenlayout und erhöht die Kosten. Um diesen Kompromiss zu beseitigen, sind Fortschritte im Design erforderlich.

Dieser Artikel beschreibt die Bedeutung des OVP-Schutzes und verschiedene Ansätze, um diesen zu erreichen. Anschließend wird die IsoMOV-Technologie vorgestellt, die die Vorteile von GDTs und MOVs in einem einzigen Bauelement mit längerer Lebensdauer und ohne Überbrückungsstrom vereint. Anschließend werden Beispielkomponenten von Bourns Inc. vorgestellt, ihre wichtigsten Eigenschaften beschrieben und gezeigt, wie sie für einen wirksamen, effizienten und kostengünstigen Schutz ausgewählt und eingesetzt werden können.

Schutz hat mehrere Perspektiven

Es gibt keinen „allgemeingültigen Ansatz“ für den Schutz von Stromkreisen und Systemen. Dafür gibt es zwei Gründe: Erstens gibt es viele Arten von Fehlern und Ereignissen, gegen die ein Schutz erforderlich ist, und zweitens bestimmen das Ausmaß und die Dauer des Fehlerzustands die Art und Robustheit des erforderlichen Schutzes.

Zu den vielen allgemeinen Fehlersituationen gehören:

  • Überstrom, wenn die Last aufgrund eines externen Fehlers, eines Kurzschlusses oder eines internen Bauteilfehlers (einschließlich Isolationsfehler) zu viel Strom zieht
  • Überspannung, bei der ein Teil des Systems durch eine zu hohe Spannung aufgrund von Fehlanschlüssen belastet wird
  • Thermisch, wenn ein Bauteil aufgrund von Konstruktionsfehlern, unzureichendem Wärmemanagement oder übermäßiger Umgebungswärme überhitzt
  • Bauteilausfall, bei dem ein internes Bauteil ausfällt, was zu einer Überstrom-/Überspannungssituation führt, die andere Bauteile oder die Last beschädigt

Fehler haben oft auch Folgen, die über die Beeinträchtigung oder gar Beschädigung eines Systems hinausgehen, da sie zu einer Stromschlaggefahr für die Benutzer führen können.

Überspannungsableiter und -begrenzer für den Überspannungsschutz

Eine der schwierigsten Fehlerbedingungen sowohl in Wechsel- als auch in Gleichstromkreisen sind Überspannungsspitzen, ein so genanntes temporäres Überspannungsereignis (TOV). Diese kurzen Impulse oder Spitzen sind häufig auf nahe gelegene Blitzeinschläge oder elektrische Schaltvorgänge zurückzuführen, die schädliche Transienten in elektrische Geräte und deren empfindliche Elektronik einspeisen.

Zwei allgemeine Klassen von Überlastschutzkomponenten (SPDs) werden verwendet, um Überspannungen und TOV-Ereignisse zu bewältigen: die Überspannungsableiter und die Überspannungsbegrenzer. (Es sei darauf hingewiesen, dass diese Begriffe in Diskussionen manchmal synonym verwendet werden, aber nicht dasselbe sind)

Kurz gesagt, ein Überspannungsableiter wird zu einem Kurzschluss in der zu schützenden Leitung und leitet so die Überspannung und ihren Strom zur Erde ab und verhindert, dass sie die Schaltkreise erreicht (Abbildung 1). Der Überspannungsableiter wird ausgelöst, um in diesen Modus mit niedriger Impedanz zu gehen, wenn die Überspannung auftritt.

Randbemerkung: Der englische Begriff „Crowbar“ (Brecheisen) für den Überspannungsableiter stammt angeblich von Industriearbeitern in den Anfängen der Elektrizität, die bei Überspannungen ein echtes Metall-Brecheisen über die Strom- und Erdungsschienen warfen.

Grafik der Auslösung der ÜberspannungsableiterfunktionAbbildung 1: Wenn die Überspannungsableiter-Schutzfunktion auslöst, bildet sie einen niederohmigen Pfad zwischen der zu schützenden Leitung und der Erde, wodurch der Überspannungsstoß zur Erde abgeleitet wird. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Der Überspannungsableiter bleibt so lange im niederohmigen Modus, bis der Strom unter den „Haltestrom“ sinkt; dann kehrt sie in den hochohmigen Normalbetriebszustand zurück. Er muss in der Lage sein, den Strom, der durch ihn fließt, für die Dauer des Überspannungszustandes der Stromversorgung zu bewältigen.

Im Gegensatz dazu verhindert ein Überspannungsbegrenzer, dass die Spannung einen voreingestellten Wert überschreitet (Abbildung 2). Wenn die transiente Spannung den Grenzwert erreicht, für den der Überspannungsbegrenzer ausgelegt ist, klemmt er die Spannung bis zum Erlöschen des Fehlers ab, woraufhin die Leitung in den normalen Betriebsmodus zurückkehrt. Es ist wichtig, dass die Nennklemmspannung höher ist als die normale Betriebsspannung.

Graph: Der Überspannungsbegrenzer begrenzt den ÜberspannungsstoßAbbildung 2: Im Gegensatz zum Überspannungsableiter begrenzt der Überspannungsbegrenzer den Überspannungsstoß auf einen vordefinierten Wert. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Ein Überspannungsbegrenzer leitet gerade so viel Strom, dass die Spannung an ihr auf einem sicheren, gewünschten Wert gehalten wird, während die Transiente oberhalb der Leitspannung des Überspannungsbegrenzers liegt. Dieser Strom ist zwar gering, kann aber zu einigen sicherheitsrelevanten Problemen führen, die angegangen werden müssen und möglicherweise einen zusätzlichen Schutz erfordern, worauf weiter unten eingegangen wird. Die Komponente muss für die Leistung ausgelegt sein, die sie für eine bestimmte Zeit abführen muss, was in der Regel ein relativ kurzes transientes Ereignis ist.

Implementierung der OVP-Funktionen

Da es sich bei Überspannungsableitern und Überspannungsbegrenzern um kritische Schutzvorrichtungen handelt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass sie einfach und zuverlässig sind und über gut bekannte und gleichbleibende Leistungsmerkmale verfügen. In dieser Hinsicht ähneln sie der thermisch aktivierten Sicherung, dem klassischen Überstromschutzbauteil, das häufig als zusätzliche Schutzschicht verwendet wird.

Der Überspannungsableiter: Das gebräuchlichste Bauteil zur Überspannungsableitung ist die Gasentladungsröhre (GDT), eine sorgfältig konstruierte und dimensionierte Funkenstrecke in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse, das mit einem Inertgas gefüllt ist. Im Normalbetrieb, vor einem TOV-Ereignis, erscheint er wie ein nahezu unendlicher Widerstand (Abbildung 3). Wenn jedoch der Überspannungsstoß auftritt und die GDT-Konstruktionsspannung übersteigt, ionisiert das Gas und die Röhre überschlägt sich wie eine Funkenstrecke und wechselt von einer hohen Impedanz zu einer sehr niedrigen Impedanz. Durch diese Änderung wird die Leitung vorübergehend kurzgeschlossen, bis der Fehler erlischt.

Das Diagramm der GDT ist eine hochentwickelte FunkenstreckeAbbildung 3: Die GDT ist ein hochentwickeltes Funkenstrecken-Bauelement, das nur dann leitet, wenn die Spannung an seinen Anschlüssen seinen Auslegungswert übersteigt; bis dahin sieht er wie ein nahezu perfekter offener Stromkreis aus. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Die GDT wird häufig in Gleichstromkreisen, Telekommunikationskreisen und Signalstromkreisen verwendet, die im Allgemeinen mit einem relativ niedrigen Strom von einem Ampere oder weniger betrieben werden. Im Gegensatz zu den dramatischen GDTs, die man in Filmen sieht, ist die GDT für schwache Überspannungen ein kleines, ummanteltes, auf der Leiterplatte montierbares Bauteil, und der Funkenüberschlag ist nicht sichtbar. Kleinere GDTs werden mit Nennwerten von 75 bis 600 Volt angeboten, größere mit Nennwerten bis zu Tausenden von Volt. Ein Problem bei GDTs ist der Folgestrom (auch Holdover-Strom genannt), d. h. der Strom, der auch nach dem Erlöschen des Fehlers noch fließt.

Der Überspannungsbegrenzer: Zwei der am weitesten verbreiteten Komponenten zur Überspannungsbegrenzung sind die PTVS-Diode (Power Transient Voltage Suppressor, Leistungsüberspannungsschutz) und der MOV (Metal Oxide Varistor, Metalloxidvaristor), die beide häufig für den Hochstromschutz in Wechsel- und Gleichstromkreisen, Motoren, Kommunikationsleitungen und Messkreisen verwendet werden (Abbildung 4). MOVs sind mit Spannungswerten von einigen zehn bis über tausend Volt erhältlich.

Diagramm eines Metalloxidvaristors und eines LeistungsüberspannungsschutzesAbbildung 4: Der Metalloxidvaristor (und der Transientenunterdrücker) sorgen für eine Klemmspannung, die einen breiten Bemessungsbereich abdeckt. (Bildquelle: Bourns Inc.)

MOVs leiten in der Regel einen geringen Leckstrom, selbst bei angelegten Spannungen, die weit unter ihrer Nennschwellenspannung liegen. Wenn ein MOV Spannungsspitzen ausgesetzt wird, die seinen Nennwert überschreiten, können dauerhafte Schäden auftreten, die zu einem Anstieg des Ableitstroms führen. Auch wenn dieser Strom in der Regel nur wenige Milliampere beträgt, kann er unter Umständen eine Stromschlaggefahr darstellen.

Außerdem kommt es zu einer Selbsterhitzung innerhalb des MOV, wenn der Leckstrom ausreichend hoch wird. Wenn ein MOV ständig an das Wechselstromnetz angeschlossen ist, kann diese Selbsterhitzung zu einer positiven Rückkopplung führen, bei der ein höherer Leckstrom zu einer erhöhten Selbsterhitzung führt, die wiederum einen noch höheren Leckstrom zur Folge hat. Nachfolgende Überlastereignisse können diesen Zyklus weiter beschleunigen.

Irgendwann wird der MOV in einen thermischen Durchlaufmodus übergehen, der erhebliche Hitze erzeugt und den MOV zerstört. In manchen Situationen kann die vom MOV erzeugte Wärme zu einer potenziellen Zündquelle (PIS) werden und dazu führen, dass in der Nähe befindliche Materialien in Brand geraten. Dieser Effekt muss bei grundlegenden Sicherheits- und sicherheitsrelevanten Normen berücksichtigt und behandelt werden.

Eine bessere OVP-Lösung

Um eine OVP-Lösung zu schaffen, die praktisch keinen Leckstrom und damit eine längere Lebensdauer aufweist, verwenden die Entwickler häufig eine Zweikomponentenanordnung. Bei diesem hybriden Ansatz werden zwei diskrete Bauelemente kombiniert: eine GDT und ein MOV werden in Reihe geschaltet (Abbildung 5) mit einer kombinierten Spannung-Zeit-Kurve (Abbildung 6).

Diagramm eines hybriden Ansatzes, bei dem eine GDT und ein MOV in Reihe geschaltet werdenAbbildung 5: Der hybride Ansatz, eine GDT und einen MOV in Reihe zu schalten, bietet eine effektivere OVP-Lösung. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Diagramm des Ansprechverhaltens der hybriden GDT+MOV-Anordnung in Abhängigkeit von der ZeitAbbildung 6: Das zeitliche Verhalten der hybriden GDT+MOV-Anordnung zeigt, wie sie die grundlegenden Eigenschaften der einzelnen Bauelemente kombiniert. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Auf diese Weise kann jede Komponente die möglichen Schwächen der anderen ausgleichen. Dieser Ansatz ist jedoch mit Kosten verbunden:

  • Es wird mehr Platz auf der Leiterplatte benötigt
  • Die Stückliste wird um eine weitere Komponente ergänzt

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass das Leiterplattenlayout im Bereich des MOV und des GDT durch behördliche Vorschriften erschwert wird, die Mindestkriech- und Luftabstände vorschreiben:

  • Der Luftspalt ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen in der Luft
  • Die Kriechstrecke ist der kürzeste Abstand entlang der Oberfläche eines festen isolierenden Materials zwischen zwei leitenden Teilen

Das Problem ist, dass die Luft- und Kriechstrecken mit der Spannung zunehmen. Daher ist die Platzierung der MOV- und GDT-Komponenten eine weitere Herausforderung und eine weitere Einschränkung, die beim Platinenlayout berücksichtigt werden muss.

Um Entwickler bei der Bewältigung dieser Kosten-, Platz- und Vorschriftenprobleme zu unterstützen, hat Bourns, Inc. die IsoMOV-Serie hybrider Schutzkomponenten entwickelt. Die Familie bietet eine alternative Lösung, die sowohl einen MOV als auch eine GDT in einem einzigen Gehäuse kombiniert und die gleiche Funktionalität wie ein diskreter MOV und GDT in Reihe bietet (Abbildung 7).

Die schematische Darstellung des IsoMOV zeigt, dass es sich um eine Fusion von GDT und MOV handeltAbbildung 7: Das Schaltsymbol für den IsoMOV (rechts) zeigt es als eine Fusion der einzelnen Standardsymbole GDT (Mitte, links) und MOV (oben und unten, links). (Bildquelle: Bourns Inc.)

Ein Blick auf die Konstruktion des IsoMOV zeigt, dass es sich nicht nur um ein einfaches Verpacken eines MOV und eines GDT in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse handelt (Abbildung 8).

Schema des physischen Aufbaus des IsoMOVAbbildung 8: Die physische Konstruktion des IsoMOV ist eine völlig andere Realisierung der Hybridfunktion als eine gemeinsame Anordnung der beiden bestehenden Einzelbauteile. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Nach dem Zusammenbau des Kerns werden die Leitungen angebracht und die Einheit wird mit Epoxidharz beschichtet. Das Ergebnis ist ein bekanntes Radialscheiben-MOV-Gehäuse, das nur geringfügig dicker ist und einen kleineren Durchmesser hat als herkömmliche Komponenten mit vergleichbarer Leistung (Abbildung 9). Darüber hinaus hat das IsoMOV-Bauteil aufgrund des zum Patent angemeldeten Designs der Metalloxidtechnologie bei gleicher Größe einen höheren Nennstrom. Sowohl das Problem des Platzbedarfs als auch das der Kriech- und Luftstrecken entfällt.

Abbildung des radial bedrahteten scheibenförmigen IsoMOV-Bauteils von BournsAbbildung 9: Das radial bedrahtete scheibenförmige IsoMOV-Bauteil sieht aus wie ein Standard-MOV, hat aber einen kleineren Durchmesser und eine höhere Strombelastbarkeit als ein gleichwertiger MOV allein. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Der IsoMOV ist mehr als nur „das Beste aus beiden Welten“, denn die Konstruktion bietet noch weitere Vorteile. MOV-Ausfälle sind in der Regel durch ein so genanntes „Durchschlag-Loch“ am Rand des metallisierten Bereichs gekennzeichnet, das in der Regel durch eine erhöhte Temperatur im Inneren des MOV während einer Überspannung verursacht wird. Die einzigartige EdgMOV-Technologie von Bourns wurde entwickelt, um diese Fehlerart erheblich zu reduzieren oder zu eliminieren.

Ein Blick auf ein IsoMOV-Modell gibt einen genaueren Einblick. Der ISOM3-275-B-L2 hat eine maximale Dauerbetriebsspannung (MCOV) von 275 Volt Effektivwert/350 Volt DC; der Nennstrom beträgt 3 Kiloampere (kA)/15 Ereignisse), 6 kA/1 Ereignis (maximal). Von besonderem Interesse ist auch die niedrige Kapazität von 30 Picofarad (pF) bei 20 Kilohertz (kHz), die sich gut für Highspeed-Datenleitungen eignet, sowie die geringe Leckrate von unter 10 Mikroampere (µA).

Die Rolle der Normen

Entwicklungsingenieure müssen verschiedene Formen des Überspannungsschutzes (und andere) aus vielen Gründen implementieren, die von einer umsichtigen Konstruktionspraxis bis hin zu den Vorschriften verschiedener gesetzlicher Normen reichen. Einige dieser Normen sind allgemeingültig und gelten für alle Geräte, die ein allgemeines Betriebsszenario erfüllen, z. B. für den Betrieb von Wechselstromleitungen; andere sind spezifisch für eine bestimmte Klasse von Anwendungen, z. B. für medizinische Geräte. Zu den normsetzenden Organisationen gehören UL, IEEE und die IEC; viele ihrer Normen sind „harmonisiert“ und daher identisch oder nahezu identisch.

Alle diese Normen sind komplex und enthalten zahlreiche Vorgaben; sie enthalten auch Ausnahmen, die Schritte oder Merkmale nennen, die unter bestimmten Umständen entfallen können, sowie zusätzliche Anforderungen, die in anderen Fällen hinzugefügt werden müssen. So verlangen beispielsweise sowohl die IEC 60950-1, „Informationstechnische Geräte - Sicherheit“, als auch die UL/IEC 62368-1, „Norm für Geräte der Audio-/Video-, Informations- und Kommunikationstechnik - Teil 1: Sicherheitsanforderungen“ (die die IEC 60950-1 im Jahr 2020 ersetzt hat), dass die Nennspannung des MOV mindestens 125 % der Nennspannung des Geräts beträgt. Folglich muss die Nennspannung eines MOV mindestens 300 Volt Effektivwert für einen 240-Volt-Effektivwert-Netzstromkreis betragen.

Nehmen wir den üblichen Fall des Wechselstromsteckers, den es in zwei- und dreipoliger Ausführung gibt. Theoretisch bietet die Dreileiterversion eine Sicherheitserdung, aber in der Praxis ist diese Erdung oft nicht angeschlossen oder verfügbar. Das Fehlen einer echten Schutzerdungsverbindung kann zu einem potenziell gefährlichen Zustand führen, wenn nur der Heiß- und der Nullleiter vorhanden sind. In diesem Fall ist es notwendig, Schutzkomponenten in die Konstruktion einzubauen, um mögliche Stromschläge zu verhindern, wenn Benutzer leitende Teile berühren, die eigentlich geerdet sein sollten, es aber nicht sind. In diesem Fall kann der geringe MOV-Leckstrom jedoch zu der Gefahr eines elektrischen Schlags führen.

Die gängigste Lösung, um zu verhindern, dass der MOV-Leckstrom so gefährlich wird, besteht darin, mindestens einen GDT in Reihe mit dem MOV zu schalten (Abbildung 10). Durch die Verwendung eines IsoMOV-Bausteins sind die Funktionen von MOV und GDT in einem platzsparenden Gehäuse untergebracht. Der IsoMOV ist somit auch eine Problemlösungskomponente, die die Erfüllung der in der UL/IEC 62368-1 geforderten Sicherheitsanforderungen erleichtert.

Diagramm eines MOV und eines GDT, die in Reihe zwischen den heißen und neutralen Wechselstromleitungen geschaltet werden könnenAbbildung 10: Um die Gefahr eines Stromschlags durch unvermeidliche Leckströme in einer nicht geerdeten Anwendung auszuschließen, können zwei Bauteile - ein MOV und eines GDT - in Reihe zwischen den heißen und den neutralen Wechselstromleitungen geschaltet werden. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Schema eines einzelnen IsoMOV-BauteilsAbbildung 11: Die Alternative zur Verwendung eines einzelnen MOV und eines GDT ist die Verwendung eines einzigen IsoMOV-Bausteins, der die gleiche oder eine bessere Leistung erbringt und eine viel kleinere Gesamtlösung bietet. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Fazit

Ingenieure haben oft die Aufgabe, zu entscheiden, welche Lösung die „beste“ ist In den meisten Fällen gibt es Abwägungen, für die es keine einfache Antwort gibt. Im Allgemeinen sind Überspannungsableiter für den Überspannungsschutz besser für langfristige Fehler geeignet, während Überspannungsbegrenzer besser für transiente Ereignisse geeignet sind. Die Verwendung beider Bausteine vergrößert jedoch den Platzbedarf und erschwert das Platinenlayout.

Aber jetzt gibt es keinen Grund mehr, Kompromisse einzugehen. Die IsoMOVs von Bourns bieten eine viel längere Betriebsdauer als ein MOV allein, jedoch ohne die nachfolgenden Stromprobleme des GDT. Die Bauteile bieten einen Überlastschutz, der alle relevanten Normen erfüllt, und das bei geringem Platzbedarf. Darüber hinaus minimiert ihr geringer Leckstrom Folgeprobleme, während ihre sehr niedrige Kapazität sie für den Schutz von Niederspannungs- und Highspeed-Schaltungen geeignet macht.

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Über den Autor

Bill Schweber

Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

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