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Comparador de amplificador operacional y el circuito comparador de amplificador operacional

Amplificadores operacionales

los Comparador de amplificador operacional compara un nivel de voltaje analógico con otro nivel de voltaje analógico, o algún voltaje de referencia preestablecido, VÁRBITRO y produce una señal de salida basada en estocomparacion de voltaje En otras palabras, el comparador de voltaje del amplificador operacional compara las magnitudes de dos entradas de voltaje y determina cuál es la más grande de las dos.

Hemos visto en tutoriales anteriores que elEl amplificador operacional se puede usar con retroalimentación negativa para controlar la magnitud de su señal de salida en la región lineal realizando una variedad de funciones diferentes. También hemos visto que el amplificador operacional estándar se caracteriza por su ganancia A de bucle abierto.O y que su voltaje de salida viene dado por la expresión: VAFUERA = AO(V + - V-) donde V + y V- corresponden a los voltajes en los terminales de no inversión y de inversión respectivamente.

Comparadores de voltaje Por otro lado, o bien utilizar comentarios positivos.o sin retroalimentación (modo de bucle abierto) para cambiar su salida entre dos estados saturados, porque en el modo de bucle abierto la ganancia de voltaje de los amplificadores es básicamente igual a AVO. Entonces debido a esta alta ganancia de bucle abierto, lala salida del comparador cambia completamente a su riel de suministro positivo, + Vcc o completamente a su riel de suministro negativo, -Vcc en la aplicación de una señal de entrada variable que pasa algún valor de umbral preestablecido.

El comparador de amplificador operacional de bucle abierto es un circuito analógico que opera en su región no lineal como cambios en las dos entradas analógicas, V + y V- hacen que se comporte como un dispositivo digital. biestable dispositivo como disparador hace que tenga dosestados de salida posibles, + Vcc o -Vcc. Entonces podemos decir que el comparador de voltaje es esencialmente un convertidor de analógico a digital de 1 bit, ya que la señal de entrada es analógica pero la salida se comporta digitalmente.

Considera lo básico comparador de voltaje del amplificador operacional Circuito abajo.

Circuito comparador de amplificador operacional

circuito comparador de amplificador operacional

Con referencia al circuito comparador del amplificador operacional anterior, asumamos primero que VEN es menor que el nivel de voltaje de CC en VÁRBITRO, (VEN <VÁRBITRO ). Como la entrada no positiva (positiva) del comparador es menor que la entrada inversora (negativa), la salida será BAJA y, a la tensión de alimentación negativa, -Vcc producirá una saturación negativa de la salida.

Si ahora aumentamos la tensión de entrada, VEN por lo que su valor es mayor que la tensión de referencia VÁRBITRO en la entrada inversora, la tensión de salida cambia rápidamente ALTA hacia la tensión de alimentación positiva, + Vcc, lo que produce una saturación positiva de la salida. Si volvemos a reducir la tensión de entrada VENPara que sea un poco menor que el voltaje de referencia, la salida del amplificador operacional regresa a su voltaje de saturación negativo que actúa como detector de umbral.

Entonces podemos ver que el comparador de voltaje del amplificador operacional es un dispositivo cuya salida depende del valor del voltaje de entrada, VEN con respecto a algún nivel de tensión de CC como ella salida es ALTA cuando el voltaje en la entrada no inversora es mayor que el voltaje en la entrada inversora, y BAJA cuando la entrada no inversora es menor que el voltaje de entrada inversora. Esta condición se cumple independientemente de si la señal de entrada está conectada a la entrada inversora o no inversora del comparador.

También podemos ver que el valor de la salida.El voltaje depende completamente del voltaje de la fuente de alimentación de los amplificadores operacionales. En teoría, debido a la ganancia de bucle abierto alta de los amplificadores operacionales, la magnitud de su voltaje de salida podría ser infinita en ambas direcciones, (±). Sin embargo, prácticamente, y por razones obvias, está limitado por los rieles de suministro de amplificadores operacionales que dan VAFUERA = + Vcc o VAFUERA = -Vcc.

Dijimos antes que el comparador básico de op-ampproduce una salida de voltaje positivo o negativo al comparar su voltaje de entrada con un voltaje de referencia de CC preestablecido. Generalmente, un divisor de voltaje resistivo se usa para establecer el voltaje de referencia de entrada de un comparador, pero se puede usar una fuente de batería, un diodo Zener o un potenciómetro para un voltaje de referencia variable, como se muestra.

Tensiones de referencia del comparador

tensiones de referencia del comparador

En teoría los comparadores de tensión de referencia puedendebe configurarse para estar en cualquier lugar entre 0v y la tensión de alimentación, pero existen limitaciones prácticas en el rango de tensión real, según el dispositivo de comparación de amplificador operacional que se utilice.

Comparadores de voltaje positivo y negativo

Se puede utilizar un circuito comparador de amplificador operacional básico paradetecte un voltaje de entrada positivo o negativo en función de qué entrada del amplificador operacional conectamos la fuente de voltaje de referencia fija y también el voltaje de entrada. En los ejemplos anteriores, hemos utilizado la entrada inversora para establecer el voltaje de referencia con la tensión de entrada conectada a la entrada no inversora.

Pero igualmente podríamos conectar las entradas delcomparador a la inversa invirtiendo la señal de salida a la que se muestra arriba. Luego, se puede configurar un comparador de amplificador operacional para operar en lo que se llama una configuración de inversión o de no inversión.

Comparador de voltaje positivo

La configuración básica para el comparador de voltaje positivo, también conocido como un circuito comparador sin inversión, detecta cuando la señal de entrada, VEN es SUPERIOR o más positivo que el voltaje de referencia, VÁRBITRO produciendo una salida en VAFUERA que es ALTO como se muestra.

Circuito comparador no inversor

Circuito comparador de amplificador operacional no inversor

En esta configuración no inversora, elel voltaje de referencia está conectado a la entrada inversora del amplificador operacional con la señal de entrada conectada a la entrada no inversora. Para mantener las cosas simples, hemos asumido que las dos resistencias que forman la red divisora ​​de potencial son iguales y: R1 = R2 = R. Esto producirá una tensión de referencia fija que es la mitad de la tensión de alimentación, es decir, Vcc / 2, mientras que la tensión de entrada es variable desde cero hasta la tensión de alimentación.

Cuando vEN es mayor que VÁRBITRO, la salida de los comparadores del amplificador operacional se saturará hacia el riel de alimentación positivo, Vcc. Cuando vEN es menor que VÁRBITRO la salida de los comparadores de amplificador operacional cambiará de estado y se saturará en el riel de suministro negativo, 0v como se muestra.

Comparador de voltaje negativo

La configuración básica para el comparador de voltaje negativo, también conocido como un circuito comparador inversor, detecta cuando la señal de entrada, VEN es ABAJO o más negativo que el voltaje de referencia, VÁRBITRO produciendo una salida en VAFUERA que es ALTO como se muestra.

Inversor del circuito comparador

invertir el circuito comparador de amplificador operacional

En la configuración de inversión, que es laal contrario de la configuración positiva anterior, la tensión de referencia se conecta a la entrada no inversora del amplificador operacional, mientras que la señal de entrada se conecta a la entrada inversora. Entonces cuando vEN es menor que VÁRBITRO La salida de los comparadores del amplificador operacional se saturará hacia el riel de suministro positivo, Vcc.

Igualmente lo contrario es verdad, cuando VEN es mayor que VÁRBITRO, la salida de los comparadores del amplificador operacional cambiará de estado y se saturará hacia el riel de suministro negativo, 0v.

Luego, dependiendo de qué entradas del amplificador operacional usamosPara la señal y el voltaje de referencia, podemos producir una salida inversora o no inversora. Podemos tomar la idea de que la detección de una señal de señal negativa o positiva va un paso más allá al combinar los dos circuitos comparadores de amplificador operacional de arriba para producir un circuito comparador de ventana.

Comparador de ventanas

UNA Comparador de ventanas es básicamente los comparadores de inversión y de no inversión anteriormente combinados en una sola etapa de comparación. El comparador de ventana detecta los niveles de voltaje de entrada que están dentro de una banda específica o ventana de voltajes, en lugar de indicar si un voltaje es mayor o menor que algún punto de referencia de voltaje fijo o preestablecido.

Esta vez, en lugar de tener una sola referencia.valor de voltaje, un comparador de ventana tendrá dos voltajes de referencia implementados por un par de comparadores de voltaje. Uno que activa un comparador de amplificador operacional en la detección de algún umbral de voltaje superior, VREF (SUPERIOR) y uno que activa un comparador de amplificador operacional al detectar un nivel de umbral de voltaje más bajo, VREF (INFERIOR). Luego, los niveles de voltaje entre estos dos voltajes de referencia superior e inferior se denominan "ventana", de ahí su nombre.

Usando nuestra idea de arriba de un divisor de voltajered, si ahora usamos tres resistores de igual valor para que R1 = R2 = R3 = R podamos crear un circuito comparador de ventana muy simple como se muestra. Además, como los valores de resistencia son todos iguales, las caídas de tensión en cada resistencia también serán iguales en un tercio de la tensión de alimentación, 1 / 3Vcc. Luego, en este sencillo ejemplo, podemos establecer el voltaje de referencia superior a 2 / 3Vcc y el voltaje de referencia inferior a 1 / 3Vcc. Considere el circuito comparador de ventana a continuación.

Circuito comparador de ventana

circuito comparador de ventana

Cuando vEN está por debajo del nivel de voltaje más bajo, VREF (INFERIOR) lo que equivale a 1 / 3Vcc, la salida será BAJA. Cuando vEN sobrepasa este nivel de voltaje inferior de 1 / 3Vcc, el primer comparador de amplificador operacional lo detecta y cambia la salida HIGH a Vcc.

Como vEN Sigue aumentando, pasa el nivel de tensión superior, VREF (SUPERIOR) a 2 / 3Vcc y el segundo comparador de amplificador operacional lo detecta y cambia la salida a LOW. Entonces la diferencia entre VREF (SUPERIOR) y VREF (INFERIOR) (que es 2 / 3Vccc - 1 / 3Vcc en este ejemplo) crea la ventana de conmutación para la señal positiva.

Asumamos ahora que VEN está en su valor máximo e igual a Vcc. Como vEN disminuye que pasa el nivel de tensión superior VREF (SUPERIOR) del segundo comparador de amplificador operacional que cambia la salida HIGH. Como vEN sigue disminuyendo pasa el nivel de voltaje más bajo, VREF (INFERIOR) del primer comparador de amplificador operacional, una vez más cambiando la salida BAJA.

Entonces la diferencia entre VREF (SUPERIOR) y VREF (INFERIOR) crea la ventana para la señal de marcha negativa. Así que podemos ver eso como VEN pasa por encima o pasa por debajo de los niveles de referencia superior e inferior establecidos por los dos comparadores de amplificador operacional, la señal de salida VAFUERA será ALTO o BAJO.

En este sencillo ejemplo hemos establecido el viaje superior.nivel a 2 / 3Vcc y el nivel de disparo más bajo a 1 / 3Vcc (porque usamos tres resistores de igual valor), pero puede ser cualquier valor que elijamos ajustando los umbrales de entrada. Como resultado, el ancho de la ventana se puede personalizar para una aplicación determinada.

Si utilizamos una fuente de alimentación dual y configuramos los niveles de disparo superior e inferior para decir ± 10 voltios y VEN Era una forma de onda sinusoidal, entonces podríamos usar estaCircuito comparador de la ventana como detector de cruce de cero de la onda sinusoidal que produciría una salida, ALTA o BAJA cada vez que la onda sinusoidal cruzara la línea de cero voltios de positivo a negativo o negativo a positivo.

Podemos tomar esta idea de detectar niveles de voltaje.además, conectando un número de diferentes comparadores de amplificador operacional junto con todos ellos usando una señal de entrada común, pero con cada comparador utilizando un voltaje de referencia diferente establecido por nuestra ahora conocida red divisora ​​de voltaje a través del suministro. Considere el siguiente circuito detector de nivel de voltaje.

Detector de nivel de voltaje del comparador

detector de nivel de voltaje

Como anteriormente, la red divisora ​​de voltaje proporciona unaConjunto de voltajes de referencia para los circuitos comparadores de amplificador operacional individuales. Para producir los cuatro voltajes de referencia se requerirán cinco resistencias. La unión en el par inferior de resistencias producirá una tensión de referencia que es un quinto de la tensión de alimentación, 1 / 5Vcc utilizando resistencias de igual valor. El segundo par 2 / 5Vcc, un tercer par 3 / 5Vcc y así sucesivamente, con estos voltajes de referencia que aumentan en una cantidad fija de un quinto (1/5) hacia 5 / 5Vcc, que en realidad es Vcc.

A medida que aumenta el voltaje de entrada común, la salida de cada circuito del comparador de amplificador operacional cambia a su vez, comenzando con el comparador inferior, A4 y hacia arriba hacia A1 a medida que aumenta la tensión de entrada. Así, al establecer los valores de las resistencias en la red divisora ​​de voltaje, los comparadores pueden configurarse para detectar cualquier nivel de voltaje. Un buen ejemplo del uso de la detección e indicación del nivel de voltaje sería para un monitor de estado de la batería.

También aumentando el número de op-ampComparadores en el conjunto, se pueden crear más puntos de activación. Por ejemplo, si tuviéramos ocho comparadores de amplificador operacional en la cadena y alimentáramos la salida de cada comparador a un codificador digital de 8 a 3 líneas, podríamos hacer un convertidor analógico a digital muy simple, (ADC) que convertiría la señal de entrada analógica en un código binario de 3 bits (0 a 7).

Comparador de amplificador operacional con comentarios positivos

Hemos visto aquí que los amplificadores operacionales puedenestar configurados para funcionar como comparadores en su modo de bucle abierto, y esto está bien si la señal de entrada varía rápidamente o no es demasiado ruidosa. Sin embargo si la señal de entrada, VEN es lento para cambiar o hay ruido eléctrico presente,luego, el comparador del amplificador operacional puede oscilar cambiando su salida hacia adelante y hacia atrás entre los dos estados de saturación, + Vcc y -Vcc cuando la señal de entrada oscila alrededor de la tensión de referencia, VÁRBITRO nivel. Una forma de superar este problema y evitar que el amplificador operacional oscile es proporcionar una retroalimentación positiva alrededor del comparador.

Como su nombre lo indica, retroalimentación positiva Es una técnica para retroalimentar una parte ofracción de la señal de salida que está en fase a la entrada no inversora del amplificador operacional a través de un divisor potencial configurado por dos resistencias con la cantidad de realimentación proporcional a su relación.

El uso de retroalimentación positiva alrededor de un comparador de amplificador operacional significa que una vez que la salida se activa en la saturación en cualquiera de los niveles, debe haber un cambio significativo en la señal de entrada VEN antes de que la salida vuelva al punto de saturación original. Esta diferencia entre los dos puntos de conmutación se llama histéresis produciendo lo que comúnmente se llama un circuito de disparo de Schmitt. Considere el siguiente circuito comparador de inversión.

Invertir comparador de amplificador operacional con histéresis

Invertir comparador de amplificador operacional con histéresis

Para el circuito comparador de inversión anterior, VEN se aplica a la entrada inversora del amplificador operacional. Resistencias r1 y R2 formar una red divisora ​​de voltaje a través de lacomparador que proporciona la retroalimentación positiva con parte de la tensión de salida que aparece en la entrada no inversora. La cantidad de realimentación está determinada por la relación de resistencia de los dos resistores utilizados y que se da como:

Ecuación del divisor de voltaje

ecuación del divisor de voltaje

Donde: β (beta) se puede utilizar para indicar la fracción de realimentación.

Cuando la señal de entrada es menor que la tensión de referencia, VEN <VÁRBITRO, la tensión de salida será ALTA, VOH e igual a la tensión de saturación positiva. Como la salida es ALTA y positiva, el valor del voltaje de referencia en la entrada no inversora será aproximadamente igual a: + β * Vcc, denominado Punto de disparo superior o UTP.

Como la señal de entrada, VEN aumenta se vuelve igual también esta tensión de punto de disparo superior, VUTP Nivel en la entrada no inversora. Esto hace que la salida de los comparadores cambie de estado a BAJO, VOL e igual a la tensión de saturación negativa como antes.

Pero la diferencia esta vez es que un segundo.se crea un valor de voltaje de punto de disparo porque ahora aparece un voltaje negativo en la entrada no inversora que es igual a: -β * Vcc como resultado del voltaje de saturación negativo en la salida. Luego, la señal de entrada ahora debe caer por debajo de este segundo nivel de voltaje, llamado Punto de disparo inferior o LTP para que la salida de los comparadores de voltaje cambie o vuelva a su estado positivo original.

Así que podemos ver que cuando la salida cambia de estado,la tensión de referencia en la entrada no inversora también cambia creando dos valores de tensión de referencia diferentes y dos puntos de conmutación diferentes. Uno llamado el más bajo Punto de viaje superior (UTP) y el otro ser llamado el Punto de viaje inferior (LTP). La diferencia entre estos dos puntos de viaje se llama Histéresis.

La cantidad de histéresis está determinada por lafracción de realimentación, β de la tensión de salida realimentada a la entrada no inversora. La ventaja de la retroalimentación positiva es que el circuito de activación Schmitt del comparador resultante es inmune al disparo errático provocado por el ruido o las señales de entrada que cambian lentamente dentro de la banda de histéresis, lo que produce una señal de salida más limpia, ya que la salida de los comparadores de amplificador operacional solo se dispara una vez.

Así que para voltajes de salida positivos, VÁRBITRO = + β * Vcc, pero para voltajes de salida negativos, VÁRBITRO = -β * Vcc. Entonces podemos decir que la cantidad de histéresis de tensión se dará como:

Histéresis del amplificador operacional

También podemos producir un circuito comparador de amplificador operacional sin inversión con histéresis incorporada cambiando los terminales de entrada y de referencia como se muestra:

Comparador de inversor no inversor con histéresis

Comparador no inverso de amplificadores operacionales con histéresis

Tenga en cuenta que las flechas en el gráfico de histéresis indican la dirección de cambio en los puntos de disparo superior e inferior.

Comparador Ejemplo No1

Se utilizará un amplificador operacional con retroalimentación positiva para producir un circuito de disparo Schmitt. Si resistencia, R1 = 10kΩ y resistencia, R2 = 90kΩ, cuáles serán los valores de los puntos de conmutación superior e inferior de la tensión de referencia y el ancho de la histéresis si el amplificador operacional está conectado a una fuente de alimentación dual de ± 10v.

Dado: R1 = 10kΩ, R2 = 90kΩ. Fuente de alimentación + Vcc = 10v y -Vcc = 10v.

Fracción de retroalimentación:

fracción de realimentación del comparador del amplificador operacional

Punto de disparo de voltaje superior, VUTP

punto de disparo de voltaje superior

Punto de disparo de voltaje inferior, VLTP

punto de disparo de menor voltaje

Ancho de histéresis:

ancho de histéresis del amplificador operacional

Entonces la tensión de referencia VÁRBITRO, cambia entre + 1V y -1V como salidaSatura de un nivel a otro. Esperemos que podamos ver en este ejemplo simple que el ancho de esta histéresis, 2 voltios en total, se puede aumentar o reducir simplemente ajustando la relación del divisor de voltaje de las resistencias de realimentación R1 y R2.

El comparador de voltaje

Aunque podemos usar amplificadores operacionales talescomo el 741 como un circuito comparador básico, el problema con esto es que los amplificadores operacionales solo están optimizados para operación lineal. Ahí es donde los terminales de entrada se encuentran virtualmente en el mismo nivel de voltaje y su etapa de salida está diseñada para producir un voltaje de salida lineal que no está saturado por largos períodos de tiempo. También los amplificadores operacionales estándar están diseñados para ser utilizados en aplicaciones de circuito cerrado con retroalimentación negativa desde su salida hasta su entrada inversora.

Un comparador de voltaje dedicado por otro ladoes un dispositivo no lineal que permite una saturación intensa, debido a su ganancia muy alta, cuando las señales de entrada difieren en una cantidad relativamente pequeña. La diferencia entre un comparador de amplificador operacional y un comparador de voltaje está en la etapa de salida, ya que un amplificador operacional estándar tiene una etapa de salida que está optimizada para operación lineal, mientras que la etapa de salida de un comparador de voltaje está optimizada para operación saturada continua ya que siempre está destinado a estar cerca de un riel de suministro o el otro y no en el medio.

Comparadores comerciales como el single LM311El comparador, el comparador cuádruple LM339 o el comparador diferencial dual LM393, son comparadores de voltaje que vienen en un paquete IC estándar que opera desde una fuente única o doble. Estos comparadores de voltaje dedicados están diseñados para el único propósito de cambiar la salida muy rápidamente de un estado saturado al otro, ya que los transistores utilizados para una etapa de salida de comparadores de voltaje generalmente son transistores de conmutación.

Dado que los comparadores de voltaje convierten una entrada linealEn una señal de salida digital, se usan comúnmente para conectar dos señales eléctricas diferentes con diferentes voltajes de referencia o de fuente de alimentación. Como resultado, la etapa de salida del comparador de voltaje generalmente se configura como un interruptor de transistor de colector abierto (o drenaje) con estados abierto o cerrado en lugar de voltajes de salida reales como se muestra.

Circuito comparador de voltaje

circuito comparador de voltaje

Aquí, la salida del colector abierto de la tensiónel comparador está conectado a una fuente de voltaje a través de una sola resistencia de pull-up (y un LED de indicación) que lleva la salida única a la fuente de alimentación. Cuando el interruptor de salida es ALTO crea una ruta de alta impedancia, por lo tanto, no fluye corriente como VAFUERA = Vcc.

Cuando el comparador cambia de estado y la salida.el interruptor es BAJO, crea una ruta de baja impedancia a tierra y la corriente fluye a través de la resistencia de pull-up (y LED) causando una caída de voltaje en sí misma con la salida al nivel de suministro inferior, tierra en este caso.

Entonces podemos ver que hay muy poco.diferencia entre el símbolo esquemático de un comparador de amplificador operacional y un comparador de voltaje o sus circuitos internos. La diferencia principal en la etapa de salida con el colector abierto o la configuración de drenaje es útil para activar relés, lámparas, etc. Al impulsar un transistor desde la salida, se obtiene una mayor capacidad de corriente de conmutación que la salida del comparador solo.

Resumen del comparador de amplificador operacional

En este tutorial sobre la Comparador de amplificador operacional Hemos visto que un circuito comparador es básicamente un amplificador operacional sin retroalimentación, es decir, el amplificador operacional se usa en su configuración de bucle abierto, y cuando la tensión de entrada, VEN supera una tensión de referencia preestablecida, VÁRBITRO, la salida cambia de estado.

Debido a la muy alta ganancia de bucle abierto delEl amplificador operacional, al utilizarlo con retroalimentación positiva o incluso sin retroalimentación, hace que la salida se sature a su riel de suministro, lo que produce uno de los dos voltajes de salida distintos, dependiendo de los valores relativos de sus dos entradas. Este comportamiento biestable no es lineal y forma la base del comparador de amplificador operacional y los circuitos de activación de Schmitt.

Las etapas de salida de comparadores dedicados, talescomo el LM311 único, el LM393 dual o el LM339 cuádruple están diseñados para operar en sus regiones de saturación permitiendo que estos circuitos de comparador de voltaje sean ampliamente utilizados en aplicaciones de convertidor analógico a digital y para varios tipos de circuitos de detección de nivel de voltaje.

El comportamiento de conmutación errático de un circuito abierto.El comparador se puede superar fácilmente agregando retroalimentación positiva entre la salida y la entrada del comparador. Con retroalimentación positiva, el circuito tiene histéresis y la salida se produce entre dos puntos de conmutación diferentes, UTP y LTP.

Los comparadores de ventana de amplificador operacional son un tipo de voltajecircuito comparador que utiliza dos comparadores de amplificador operacional para producir una salida de dos estados que indica si la tensión de entrada está o no dentro de un rango o ventana de valores en particular mediante el uso de dos tensiones de referencia. Una tensión de referencia superior y una tensión de referencia inferior.

Mientras que los amplificadores y comparadores operacionales puedentienen un aspecto similar, son muy diferentes y están diseñados para ser utilizados en diferentes aplicaciones, ya que un amplificador operacional puede usarse como un comparador, un comparador de voltaje no puede usarse como un amplificador operacional debido a su etapa de salida no lineal.

Sabemos por tutoriales anteriores que unEl amplificador operacional es un dispositivo analógico con una entrada analógica diferencial y una salida analógica y, si se opera en su configuración de bucle abierto, su salida actúa como una salida de comparación. Pero los comparadores de voltaje dedicados (LM311, LM393, LM339) están ampliamente disponibles, los cuales funcionarán mucho mejor que un estándar comparador de amplificador operacional.

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