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電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書聊城大學(xué)物機(jī)械與汽車工程學(xué)院2015年11月目錄基爾霍夫定律和疊加原理的驗(yàn)證……………...……………1戴維南定理的驗(yàn)證和最大功率傳輸條件的測(cè)定……………...……………4日光燈電路的連接及功率因數(shù)的提高……...………………9三相電路的研究…………………...………11實(shí)驗(yàn)一基爾霍夫定律和疊加原理的驗(yàn)證一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.驗(yàn)證基爾霍夫定律的正確性,加深對(duì)基爾霍夫定律的理解。2.驗(yàn)證線性電路疊加原理的正確性,加深對(duì)線性電路的疊加性和齊次性的認(rèn)識(shí)和理解。3.學(xué)會(huì)用電流插頭、插座測(cè)量各支路電流。二、原理說明基爾霍夫定律是電路的基本定律。測(cè)量某電路的各支路電流及每個(gè)元件兩端的電壓,應(yīng)能分別滿足基爾霍夫電流定律(KCL)和電壓定律(KVL)。即對(duì)電路中的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言,應(yīng)有ΣI=0;對(duì)任何一個(gè)閉合回路而言,應(yīng)有ΣU=0。運(yùn)用上述定律時(shí)必須注意各支路或閉合回路中電流的正方向,此方向可預(yù)先任意設(shè)定。疊加原理指出:在有多個(gè)獨(dú)立源共同作用下的線性電路中,通過每一個(gè)元件的電流或其兩端的電壓,可以看成是由每一個(gè)獨(dú)立源單獨(dú)作用時(shí)在該元件上所產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。線性電路的齊次性是指當(dāng)激勵(lì)信號(hào)(某獨(dú)立源的值)增加或減小K倍時(shí),電路的響應(yīng)(即在電路中各電阻元件上所建立的電流和電壓值)也將增加或減小K倍。三、實(shí)驗(yàn)儀器序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1直流可調(diào)穩(wěn)壓電源0~30V二路DG042萬用表1自備3直流數(shù)字電壓表0~200V1D314直流數(shù)字毫安表0~200mV1D315電位、電壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)電路板1DG056迭加原理實(shí)驗(yàn)電路板1DG05四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)線路如圖1-1相同,用DG05掛箱的“基爾霍夫定律/疊加原理”線路。圖1-11.實(shí)驗(yàn)前先任意設(shè)定三條支路和三個(gè)閉合回路的電流正方向。圖1-1中的I1、I2、I3的方向已設(shè)定。三個(gè)閉合回路的電流正方向可設(shè)為ADEFA、BADCB和FBCEF。2.將兩路穩(wěn)壓源的輸出分別調(diào)節(jié)為12V和6V,接入U(xiǎn)1和U2處。。3.熟悉電流插頭的結(jié)構(gòu),將電流插頭的兩端接至數(shù)字毫安表的“+、-”兩端。4.將電流插頭分別插入三條支路的三個(gè)電流插座中,讀出并記錄電流值。5.用直流數(shù)字電壓表分別測(cè)量兩路電源及電阻元件上的電壓值,記錄之。表1-16.令U1電源單獨(dú)作用(將開關(guān)K1投向U1側(cè),開關(guān)K2投向短路側(cè))。用直流數(shù)字電壓表和毫安表(接電流插頭)測(cè)量各支路電流及各電阻元件兩端的電壓,數(shù)據(jù)記入表1-2。7.令U2電源單獨(dú)作用(將開關(guān)K1投向短路側(cè),開關(guān)K2投向U2側(cè)),重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟6的測(cè)量和記錄,數(shù)據(jù)記入表1-2。8.令U1和U2共同作用(開關(guān)K1和K2分別投向U1和U2側(cè)),重復(fù)上述的測(cè)量和記錄,數(shù)據(jù)記入表1-2。9.將U2的數(shù)值調(diào)至+12V,重復(fù)上述的測(cè)量和記錄,數(shù)據(jù)記入表1-2。表1-2五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.本實(shí)驗(yàn)線路板系多個(gè)實(shí)驗(yàn)通用,本次實(shí)驗(yàn)中不使用電流插頭。DG05上的K3應(yīng)撥向330Ω?jìng)?cè),三個(gè)故障按鍵均不得按下。但需用到電流插座。2.所有需要測(cè)量的電壓值,均以電壓表測(cè)量的讀數(shù)為準(zhǔn)。U1、U2也需測(cè)量,不應(yīng)取電源本身的顯示值。3.防止穩(wěn)壓電源兩個(gè)輸出端碰線短路。4.用指針式電壓表或電流表測(cè)量電壓或電流時(shí),如果儀表指針反偏,則必須調(diào)換儀表極性,重新測(cè)量。此時(shí)指針正偏,可讀得電壓或電流值。若用數(shù)顯電壓表或電流表測(cè)量,則可直接讀出電壓或電流值。但應(yīng)注意:所讀得的電壓或電流值的正確正、負(fù)號(hào)應(yīng)根據(jù)設(shè)定的電流參考方向來判斷。5.用電流插頭測(cè)量各支路電流時(shí),或者用電壓表測(cè)量電壓降時(shí),應(yīng)注意儀表的極性,正確判斷測(cè)得值的+、-號(hào)后,記入數(shù)據(jù)表格。6.注意儀表量程的及時(shí)更換。六、預(yù)習(xí)思考題1.根據(jù)圖1-1的電路參數(shù),計(jì)算出待測(cè)的電流I1、I2、I3和各電阻上的電壓值,記入表中,以便實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí),可正確地選定毫安表和電壓表的量程。2.實(shí)驗(yàn)中,若用指針式萬用表直流毫安檔測(cè)各支路電流,在什么情況下可能出現(xiàn)指針反偏,應(yīng)如何處理?在記錄數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意什么?若用直流數(shù)字毫安表進(jìn)行測(cè)量時(shí),則會(huì)有什么顯示呢?3.在疊加原理實(shí)驗(yàn)中,要令U1、U2分別單獨(dú)作用,應(yīng)如何操作?可否直接將不作用的電源(U1或U2)短接置零?七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選定節(jié)點(diǎn)A,驗(yàn)證KCL的正確性。2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選定實(shí)驗(yàn)電路中的任一個(gè)閉合回路,驗(yàn)證KVL的正確性。3.誤差原因分析。4.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格,進(jìn)行分析、比較,歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論,即驗(yàn)證線性電路的疊加性與齊次性。5.心得體會(huì)及其他。實(shí)驗(yàn)二戴維南定理的驗(yàn)證和最大功率傳輸條件的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.驗(yàn)證戴維南定理的正確性,加深對(duì)該定理的理解。2.掌握測(cè)量有源二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的一般方法。3.掌握負(fù)載獲得最大傳輸功率的條件。4.了解電源輸出功率與效率的關(guān)系。二、原理說明1.任何一個(gè)線性含源網(wǎng)絡(luò),如果僅研究其中一條支路的電壓和電流,則可將電路的其余部分看作是一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)(或稱為含源一端口網(wǎng)絡(luò))。戴維南定理指出:任何一個(gè)線性有源網(wǎng)絡(luò),總可以用一個(gè)電壓源與一個(gè)電阻的串聯(lián)來等效代替,此電壓源的電動(dòng)勢(shì)Us等于這個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc,其等效內(nèi)阻R0等于該網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源均置零(理想電壓源視為短接,理想電流源視為開路)時(shí)的等效電阻。Uoc(Us)和R0稱為有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效參數(shù)。2.有源二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的測(cè)量方法(1)開路電壓、短路電流法測(cè)R0在有源二端網(wǎng)絡(luò)輸出端開路時(shí),用電壓表直接測(cè)其輸出端的開路電壓Uoc,然后再將其輸出端短路,用電流表測(cè)其短路電流Isc,則等效內(nèi)阻為UocR0=──Isc如果二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻很小,若將其輸出端口短路圖2-1則易損壞其內(nèi)部元件,因此不宜用此法。(2)伏安法測(cè)R0用電壓表、電流表測(cè)出有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性曲線,如圖2-1所示。根據(jù)外特性曲線求出斜率tgφ,則內(nèi)阻△UUocR0=tgφ=──=──?!鱅Isc也可以先測(cè)量開路電壓Uoc,圖2-2Uoc-UN則內(nèi)阻為R0=────。IN(3)半電壓法測(cè)R0如圖2-2所示,當(dāng)負(fù)載電壓為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)開路電壓的一半時(shí),負(fù)載電阻(由電阻箱的讀數(shù)確定)即為被測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻值。(4)零示法測(cè)UOC圖2-3在測(cè)量具有高內(nèi)阻有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓時(shí),用電壓表直接測(cè)量會(huì)造成較大的誤差。為了消除電壓表內(nèi)阻的影響,往往采用零示測(cè)量法,如圖2-3所示.。零示法測(cè)量原理是用一低內(nèi)阻的穩(wěn)壓電源與被測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較,當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出電壓與有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓相等時(shí),電壓表的讀數(shù)將為“0”。然后將電路斷開,測(cè)量此時(shí)穩(wěn)壓電源的輸出電壓,即為被測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓。3.電源與負(fù)載功率的關(guān)系圖2-4可視為由一個(gè)電源向負(fù)載輸送電能的模型,R0可視為電源內(nèi)阻和傳輸線路電阻的總和,RL為可變負(fù)載電阻。圖2-4圖10-1負(fù)載RL上消耗的功率P可由下式表示:圖2-4圖10-1當(dāng)RL=0或RL=∞時(shí),電源輸送給負(fù)載的功率均為零。而以不同的RL值代入上式可求得不同的P值,其中必有一個(gè)RL值,使負(fù)載能從電源處獲得最大的功率。負(fù)載獲得最大功率的條件根據(jù)數(shù)學(xué)求最大值的方法,令負(fù)載功率表達(dá)式中的RL為自變量,P為應(yīng)變量,并使dP/dRL=0,即可求得最大功率傳輸?shù)臈l件:當(dāng)滿足RL=R0時(shí),負(fù)載從電源獲得的最大功率為:這時(shí),稱此電路處于“匹配”工作狀態(tài)。匹配電路的特點(diǎn)及應(yīng)用在電路處于“匹配”狀態(tài)時(shí),電源本身要消耗一半的功率。此時(shí)電源的效率只有50%。顯然,這對(duì)電力系統(tǒng)的能量傳輸過程是絕對(duì)不允許的。發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻是很小的,電路傳輸?shù)淖钪饕笜?biāo)是要高效率送電,最好是100%的功率均傳送給負(fù)載。為此負(fù)載電阻應(yīng)遠(yuǎn)大于電源的內(nèi)阻,即不允許運(yùn)行在匹配狀態(tài)。而在電子技術(shù)領(lǐng)域里卻完全不同。一般的信號(hào)源本身功率較小,且都有較大的內(nèi)阻。而負(fù)載電阻(如揚(yáng)聲器等)往往是較小的定值,且希望能從電源獲得最大的功率輸出,而電源的效率往往不予考慮。通常設(shè)法改變負(fù)載電阻,或者在信號(hào)源與負(fù)載之間加阻抗變換器(如音頻功放的輸出級(jí)與揚(yáng)聲器之間的輸出變壓器),使電路處于工作匹配狀態(tài),以使負(fù)載能獲得最大的輸出功率。三、實(shí)驗(yàn)儀器序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1可調(diào)直流穩(wěn)壓電源0~30V1DG042可調(diào)直流恒流源0~500mA1DG043直流數(shù)字電壓表0~200V1D314直流數(shù)字毫安表0~200mA1D315萬用表1自備6可調(diào)電阻箱0~99999.9Ω1DG097電位器1K/2W1DG098戴維南定理實(shí)驗(yàn)電路板1DG059最大功率傳輸條件測(cè)定電路板1DG05四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容被測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)如圖3-5(a)。(a)圖2-5(b)1.戴維南定理的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1).用開路電壓、短路電流法測(cè)定戴維南等效電路的Uoc、R0和諾頓等效電路的ISC、R0。按圖2-5(a)接入穩(wěn)壓電源Us=12V和恒流源Is=10mA,不接入RL。測(cè)出UOc和Isc,并計(jì)算出R0。(測(cè)UOC時(shí),不接入mA表。)表2-1Uoc(v)Isc(mA)R0=Uoc/Isc(Ω)(2).負(fù)載實(shí)驗(yàn)按圖2-5(a)接入RL。改變RL阻值,測(cè)量有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性曲線。表2-2U(v)I(mA)(3).驗(yàn)證戴維南定理:從電阻箱上取得按步驟“1”所得的等效電阻R0之值,然后令其與直流穩(wěn)壓電源(調(diào)到步驟“1”時(shí)所測(cè)得的開路電壓Uoc之值)相串聯(lián),如圖2-5(b)所示,仿照步驟“2”測(cè)其外特性,對(duì)戴氏定理進(jìn)行驗(yàn)證。表2-3U(v)I(mA)2、最大功率傳輸條件的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容(1).按圖2-6接線,負(fù)載RL取自元件箱DG09的電阻箱。(2).按表2-4所列內(nèi)容,令RL在0~1K范圍內(nèi)變化時(shí),分別測(cè)出UO、UL及I的值,表中UO,PO分別為穩(wěn)壓電源的輸出電壓和功率,UL、PL分別為RL二端的電壓和功率,I為電路的電流。在PL最大值附近應(yīng)多測(cè)幾點(diǎn)。圖2-6表2-4(單位:R-Ω,U-V,I-mA,P-W)當(dāng)US=Uoc和R=R0時(shí)RL1KUOULIPOPL五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.測(cè)量時(shí)應(yīng)注意電流表量程的更換。2.改接線路時(shí),要關(guān)掉電源。六、預(yù)習(xí)思考題1.說明測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)開路電壓及等效內(nèi)阻的幾種方法,并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。2.電力系統(tǒng)進(jìn)行電能傳輸時(shí)為什么不能工作在匹配工作狀態(tài)?3.電源電壓的變化對(duì)最大功率傳輸?shù)臈l件有無影響?七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1中步驟(2)、(3)分別繪出曲線,驗(yàn)證戴維南定理的正確性,并分析產(chǎn)生誤差的原因。2.整理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2中的數(shù)據(jù),分別畫出下列各關(guān)系曲線:I~RL,UL~RL,PL~RL4.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,說明負(fù)載獲得最大功率的條件是什么?5.歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6.心得體會(huì)及其他。實(shí)驗(yàn)三日光燈電路的連接及功率因數(shù)的提高一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.進(jìn)—步熟悉日光燈的工作原理。2.學(xué)習(xí)感性負(fù)載電路提高功率因數(shù)的方法。3.學(xué)習(xí)交流電壓表、電流表的使用。二、實(shí)驗(yàn)儀器序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1單相功率表D342交流電壓表0~500VD333交流電流表0~5AD324日光燈負(fù)載40W/220V1DG015電感線圈40W鎮(zhèn)流器1DG096電容器1μF,4.7μFDG09三、實(shí)驗(yàn)原理及說明~220V日光燈燈管啟動(dòng)器鎮(zhèn)流器FUS1~220V日光燈燈管啟動(dòng)器鎮(zhèn)流器FUS1UIICIRLURLURC***圖3-1日光燈并聯(lián)電容電路S2日光燈管的內(nèi)壁涂有一層熒光粉,燈管兩端各有一組燈絲,燈絲上涂有易使電子發(fā)射的金屬粉末。管內(nèi)抽成真空,填充氬氣和少量的汞。它的啟動(dòng)電壓是400~500V,啟動(dòng)后管壓降只有80V左右。因此,日光燈燈管不能直接接在220V的電源上使用,而且啟動(dòng)時(shí)需要高于220V的電壓。鎮(zhèn)流器和啟動(dòng)器就是為滿足這個(gè)要求而設(shè)計(jì)的。UUUURURLRLXLR圖3-2日光燈等效電路日光燈工作時(shí),燈管可以認(rèn)為是一電阻負(fù)載,鎮(zhèn)流器可以認(rèn)為是一個(gè)電感量較大的感性負(fù)載,兩者串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)R、L串聯(lián)電路。日光燈工作時(shí)的整個(gè)電路可用圖2等效串聯(lián)電路來表示。因電路中所消耗的功率:,故測(cè)出P、U、I后,即可求出電路的功率因數(shù)值。功率因數(shù)的高低反映了電源容量利用率的大小。電路功率因數(shù)低,說明電源容量沒有被充分利用。同時(shí),無功電流在輸電線路上造成無用的損耗。因此,提高電路的功率因數(shù)成為電力系統(tǒng)的重要課題。功率因數(shù)較低時(shí),可并聯(lián)適當(dāng)容量的電容器來提高電路的功率因數(shù),當(dāng)功率因數(shù)等于l時(shí),電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振,此時(shí)電路的總電流最小。若并聯(lián)電容容量過大,則產(chǎn)生過補(bǔ)償。從實(shí)用和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮,一般功率因數(shù)提高的電路仍為電感性電路。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容l.按圖3-1接好線路,合上電源開關(guān)S1,斷開S2,接通電源,觀察日光燈的啟動(dòng)過程。2.測(cè)量日光燈電路的端電壓U、燈管兩端電壓UR、鎮(zhèn)流器兩端電壓URL、電路電流I即日光燈電流IRL和電路總功率P,并計(jì)算功率因數(shù)cos,將數(shù)據(jù)填入表4-1。表3-1測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算U(V)P(W)I(A)UR(V)URL(V)COS合上開關(guān)S2,將日光燈電路兩端并聯(lián)電容C。逐漸加大電容量,每改變一次電容量,都要測(cè)量端電壓U、燈管兩端電壓UR、鎮(zhèn)流器兩端電壓URL、電路電流I、日光燈電流IRL電容器電流IC和日光燈功率P。將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表3-2。表3-2電容測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算μFP(W)I(A)IRL(A)IC(A)U(V)COS14.7五、預(yù)習(xí)思考題1.熟悉日光燈的工作原理.2.了解感性負(fù)載電路提高功率因數(shù)的方法和意義.六、注意事項(xiàng)1.本實(shí)驗(yàn)用市電220V,應(yīng)注意用電安全和人身安全。2.操作中要嚴(yán)格遵守先接線,后通電,先斷電,后拆線的原則。3.如接線正確,日光燈不能啟輝時(shí),應(yīng)檢查啟輝器及其接觸是否良好。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.根據(jù)U、I、P三表測(cè)定的數(shù)據(jù),計(jì)算出cosφ。2.分析并聯(lián)電容與cosφ的關(guān)系。3.心得體會(huì)及其他。實(shí)驗(yàn)四三相電路的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握三相負(fù)載作星形聯(lián)接、三角形聯(lián)接的方法。2.驗(yàn)證這兩種接法下線、相電壓及線、相電流之間的關(guān)系。3.充分理解三相四線供電系統(tǒng)中中線的作用。二、原理說明1.三相負(fù)載可接成星形(又稱“Y”接)或三角形(又稱"△"接)。當(dāng)三相對(duì)稱負(fù)載作Y形聯(lián)接時(shí),線電壓UL是相電壓Up的倍。線電流IL等于相電流Ip,即UL=,IL=Ip在這種情況下,流過中線的電流I0=0,所以可以省去中線。當(dāng)對(duì)稱三相負(fù)載作△形聯(lián)接時(shí),有IL=Ip,UL=Up。2.不對(duì)稱三相負(fù)載作Y聯(lián)接時(shí),必須采用三相四線制接法,即Yo接法。而且中線必須牢固聯(lián)接,以保證三相不對(duì)稱負(fù)載的每相電壓維持對(duì)稱不變。倘若中線斷開,會(huì)導(dǎo)致三相負(fù)載電壓的不對(duì)稱,致使負(fù)載輕的那一相的相電壓過高,使負(fù)載遭受損壞;負(fù)載重的一相相電壓又過低,使負(fù)載不能正常工作。尤其是對(duì)于三相照明負(fù)載,無條件地一律采用Y0接法。3.當(dāng)不對(duì)稱負(fù)載作△接時(shí),IL≠Ip,但只要電源的線電壓UL對(duì)稱,加在三相負(fù)載上的電壓仍是對(duì)稱的,對(duì)各相負(fù)載工作沒有影響。三、實(shí)驗(yàn)儀器序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1交流電壓表0~500V1D332交流電流表0~5A1D323萬用表1自備4三相自耦調(diào)壓器1DG015三相燈組負(fù)載220V,15W白熾燈9DG086電流插座3DG09四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.三相負(fù)載星形聯(lián)接(三相四線制供電)按圖4-1線路組接實(shí)驗(yàn)電路。即三相燈組負(fù)載經(jīng)三相自耦調(diào)壓器接通三相對(duì)稱電源。將三相調(diào)壓器的旋柄置于輸出為0V的位置(即逆時(shí)針旋到底)。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格后,方可開啟實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源,然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出,使輸出的三相線電壓為220V,并按下述內(nèi)容完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn),分別測(cè)量三相負(fù)載的線電壓、相電壓、線電流、相電流、中線電流、電源與負(fù)載中點(diǎn)間的電壓。將所測(cè)得的數(shù)據(jù)記入表4-1中,并觀察各相燈組亮暗的變化程度,特別要注意觀察中線的作用。圖4-1表4-1測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(負(fù)載情況)開燈盞數(shù)A相B相C相333333123123Y0接B相斷開13Y接B相斷開13Y接B相短路132.負(fù)載三角形聯(lián)接(三相三線制供電

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