楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

電子工作に使えそうなトランジスタ

  

ここでは電子工作にNPNバイポーラトランジスタを使うことを考えてみます。

【お断り】この電子工作の記事は、初歩の内容で、直流の低電圧・低電流のアナログがメインで、大きな電力や交流、高周波、デジタル回路・・・といったものはほぼ扱っていません。

「トランジスタ」をWEBで検索すると、いろいろな種類や型番が出てきます。 そこで、安価で一般的なもので、増幅作用とスイッチングの初歩的な内容の中で、工作に使えるような「何か」を考えてみます。

ここでは、トランジスタを使って電流コントロールする「増幅」について、NPNバイポーラトランジスタ2SC1815を使って考えていきます。(この型番でなくても、いろいろなものがつかえる互換性などについても紹介していきます)

この「増幅」とは、小さな電流の変化によって大きな電流の変化をさせることで、2SC1815は主に電流を増幅するので、それを「電流増幅」といいます。


「増幅」という言葉からは、小さな電流をトランジスタに流すことによって、大きな電流に変えるというイメージがあるのですが、そうではなくて、小さな電流をトランジスタに流して、それをコントロールすることで、電源から大きな電流を取り出す・・・というのが「増幅作用」です。

また、もう一方のトランジスタの用途は 「スイッチング」 です。 

これは「無接点のスイッチ」のようなものと思ってください。 つまり、小さな信号をコントロールして、無接点で大きな電流をON-OFFする・・・という動作です。

その他にもいろいろなトランジスタで重要な話題があります。 例えば、非常に高い増幅を行う「ダーリントン接続回路」をトランジスタ内に組み込んだ「ダーリントントランジスタ」や大きな電流(電力)を扱うトランジスタなどがあります。

この「ダーリントン接続」にはこちらで取り上げていますが、ここで説明するバイポーラトランジスタを知れば、それをイメージしやすいと思います。



近年は、ICを使った回路が多くなってきていますが、電力増幅はトランジスタの出番が多いので、電子工作を楽しもうとすると、避けて通れません。

バイポーラトランジスタとは

バイポーラトランジスタは、NPN・PNPなどと、N型とP型の2種類の半導体を組み合わせた構造で、増幅作用があリます。(ここでは、原理や理論にはふれません)

電子素子としては昔からある種類のトランジスタですので、「トランジスタ」といえば、このバイポーラトランジスタを指していると言っていいでしょう。

ここでは、低電力増幅用のポピュラーで安価なバイポーラトランジスタを使って、LEDを点灯させる回路を考えていきながら、トランジスタの特性の見方や選ぶときの考え方などを見てみることにします。

2SC1815外観

これが、このHPで使おうとするNPNタイプの 2SC1815 です。 「C1815」と書いてありますが、「C1815」でWEB検索しても、それが2SC1815 だ・・・ という検索結果になりますので、これらの見方はやっていると次第に慣れてわかってきます。

同様の用途のトランジスタの種類はたくさんあります。 それぞれの特徴もあるのでそれぞれに型番がつけられているのでしょうが、その中から最適な物を選ぼうとすると結構難しいことです。

しかし、(後で説明しますが) データシートなどに「低周波増幅用」とあるものでは、このHPで扱う電子工作では、ほとんど気にしないで使える・・・と覚えておいてください。

私自身、データシートの絶対最大定格を超えなければ、気にしないで「何でも使える」と考えていますから・・・。

なぜ 2SC1815 を使う?

2SC1815 を使っているのは、多くの記事がこれを使っているから、それに合わしているというだけで、実をいえば、価格もそんなに変わらず安価ですから、電子工作用途で使うのであれば、コレクタ電流が150mAしか流せない2SC1815 よりも、もっと大電流が流せて、さらに周波数特性の良いNPNの製品(2SC2320、2N2222、など)を使うほうが良いのですが・・・。

そのためにこのHPでも、他の記事との関連性から、PNPは2SC1815,NPNはコンプリメンタリーペアの2SA1015をメインにして説明していますが(これらは、次のページで説明しています)、いずれも高価なものではないので、2SC1815・2SA1015の他に2-3種類を購入しておいて使ってみるといいでしょう。(互換性については次のページで説明します)

各種バイポーラTr

バイポーラトランジスタはこのような同じような外観をしていますが、この4つは、左から、バイポーラタイプのNPNの2SC1815、PNPの2SA1015、次がNEC製のNPNの2SC945、一番右の2SK30Aは接合型の電界効果トランジスタ(JFET)です。

だから、形はよく似ていますが、使い方は全く違います。

「互換性がある」というのは、同じような性質があるので、代わりに使える・・・というものですが、上のものは用途や内容が違うので、互換性はありません。

これをしっかり区別するために、小さな字ですが、書かれた文字をルーペなどで見て、間違わないようにすることと、3本の足が何の端子であるかをデータシートで確認することは基本です。

楽天トラベル

この 2SC1815と2SA1015 はコンプリメント・ペアと呼ばれ、PNPとNPNでトランジスタの特性の相性が良い組み合わせの型番をいうのですが、プッシュプル回路などのように、極性を反転して同じような働きをさせたいときに使うことを想定してつくられているものです。

カタログには、ペアになるものがあれば表示されていますので、必要なときには、データシートをみて選ぶことになります。


・・・・ こんな内容を最初から説明されても、何がなんだかわかりにくいと思います 

しかし、これらのことは、やっていると次第にわかってくるので、ここでは、使うときには、ともかく「ルーペで型番を確認する」「データシートで端子を確認する」ということだけを知っておいて、あとは気にしないで読み進めてください。

いろいろな形があるディスクリート半導体

3本足の例

半導体を使ったトランジスタやダイオードで、ICの中に組み込んでいないで単体の部品として使うものをICと区別して「ディスクリート半導体」と呼びます。 

逆に、ICは、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサなどの集合した部品ですので、ディスクリート部品でそれぞれの仕組みを理解するとわかりやすくなるでしょう。

用途、形、大きさは様々ですが、外観だけでは、その製品が何なのかはわかりにくいので、まず、表示を見て、型番を確認して、それをWEBからデータシートを見てそれを特定します。

写真の真ん中の2SC3422は「バイポーラトランジスタですが、よく使っている 2SC1815 などとは全く形が違います。 そして、他の2つも、同じ3本足であっても、全く用途・種類は違います。

・・・ このように、やはり、使うときには、ひとつひとつ確かめないといけません。

いくつか購入して用意しましょう

さて、ここではバーポーラトランジスタを使うのですが、近年はそれを使って工作する記事が少なくなり、電子工作の主流は、ICやマイコンなどを使って遊ぶ記事が多くなっています。

しかし、マイコンやパソコンから命令を出力しても、それで扱える電流、電力は小さいので、少し電力を使って何かをしようとすると、トランジスタなどのディスクリート部品はまだまだ健在です。 

だから、ディスクリート半導体の知識は、いろいろなことに役に立つはずです。

ICの多さをみてもわかるように、電子部品はどんどん小さくなり、安くなるという革新も進んでいます。

2SC1815 などは古い型番ですが、メーカーを気にしなければ入手には不自由しませんが、その他の型番も代替えして使えますので、ディスクリート半導体の一通りの内容は知っておくと無駄にはならないでしょう。

楽天
  
何回も説明していきますが、このHP の内容は、「低電力増幅用」のバイポーラトランジスタであればほとんどのものが使えますので、電子部品を扱うWEB店で5-10個程度を数種類購入するか、アマゾンのサイトなどでは、数種のセット品が安価に販売されていますので、電子工作を楽しみたい方は、いくつかを購入して実際に使ってみることで理解を深めるのが手っ取り早いと思います。

私は、電子工作をはじめたときに、色々やってみようと考えていましたので、抵抗、コンデンサ、トランジスタなど、アマゾンで販売されているセット品を購入しました。こんなにたくさんは必要なかったのですが、安いものですので購入しましたが、不良品もないですし、結構使えます。

15種x40個で2000円以下のトランジスタ

Amazonので販売されているトランジスタをみる  

こういうのを1セット持っていると、何にでも使えて、結構重宝します。 

たとえば、トランジスタを使ってボリュームを回すとなにかが作動したり変化するという使い方や、暗くなったらチャイムが鳴るとか、雨水が一杯になるとアラームが鳴るとか、気温が下がってくると、何かをする・・・・というように、「何々であればどうする・・・」ということをセンサーとトランジスタでできるようになれば、面白いですね。

  

この記事は技術文書ではないので、トランジスタにふれるのが初めての方にもわかる内容となるように、すこしまどろっこしいかもしれませんが、何回も基本的な内容を繰り返し説明しながら、実際に回路を組んでそれを確かめながら進めていくようにしています。

もちろん、ここで説明するものは、トランジスタの基本のさらにそのごく一部分で、「自分で何かができるようになる満足感」を感じていただくのを主眼にしています。

バイポーラトランジスタ

  

ここでは、NPNの2SC1815を使って内容を進めます。

この型番のトランジスタは1つ数十円 と非常に安いものですし、その他電子工作の本などでもしばしば出てくるものですので、数個を同時に購入しておくといいでしょう。

もちろん、同様の型番でなくても使えます。 それは次のページで紹介しますが、最初はわかりにくければ、いろいろな記事がある、この2SC1815 を購入しておくと無難ですし、その他にも、同時に「低周波電圧増幅用」「低周波電力増幅用」などのNPNとPNPを同時に購入するといいでしょう。

例えば、何が使えるのかを見る場合は、WEBで「低周波電圧増幅 バイポーラ」などで検索すると、2SA1832 TTB001 2SD1415 2SB962・・・などたくさんの型番がヒットします。

次のページでは、どのようなものでもほとんど互換で使えることを説明していますが、ともかく、新しく購入するのであれば、2SC1815 を購入しておいて一緒に実験していきましょう。

2SC1815は、150mA程度までの電流が扱えます。 もう少し電流が流したいと思えば、同じ形状で、500mA程度流せる 2N2222 2S5401 2N5551 S9013・・・ などたくさんの型番があり、もちろん安価ですが、ここではまず、2SC1815の データシートの簡単な読み方を知って、適当なトランジスタを探せるようになりましょう。

下はデータシートの例です。 この2SC1815に限らず、ほとんどのトランジスタのカタログはWEBに掲載されていますので、印刷するかダウンロードして、いつでもすぐに見れるようにしておくといいでしょう。

2SC1815のカタログ例

ここで最初に着目するところは、NPNかPNPか、用途はどんなものかを確認します。

次に、赤で囲んだ「絶対最大定格」「電気的特性及び、それを示すグラフ」です。

2SC1815最大定格値 東芝資料

まず重要なのは絶対最大定格です。

ここには、使用できる条件範囲が示されており、これを超えると、トランジスタが破損するということで、この定格以内で使用しないといけません。

電子工作に使用する電源電圧は12V程度までのものが多く、電子工作にはほとんどの電力増幅用のバイポーラトランジスタが使用できますので、つぎは、コレクタ電流の値で、どれくらいの電流が流せるのかを見ます。 

これらの内容も、一つづつ理解するのは難しいのですが、専門的に使うのでないので、徐々に覚えていくといいでしょう。 

実際のところ、私の場合は、慣れるに従って、わかりにくいことが減るどころか、だんだんわからないことが増えていきますので、その都度データシートも見るようにしていますし、ここで使おうとしているのは、ただ単に、直流の小電力の制御だけですので、使ってみて、何かあれば考えればいい・・・ということも「あり」だと思ってやっています。

だから、まずここでは、「絶対最大定格は厳守する」・・・を覚えておいてください。

そして、コレクタ電流が150mAまで流せるということに注目しておきます。 もっと多くの電流を流したいのなら、この数値が高いものを探さないといけません。

2SC1815電気的特性2SC1815データ

その他のポイントでは、例えば、上の表やグラフでは、電気的特性の直流電流増幅率が100程度であることを見ておきます。

コレクタ電流を100mA流したい場合には、ベース電流は1mA必要ということや、コレクタ電流を100mA流したいのであれば、電源電圧は1Vではダメだ・・・と言うことも見えてきます。

熱による増幅率の低下もあることがデータシートで示されていますね。

ただし、最初のうちは難しいかもしれませんので、時間をかけて、いろいろな知識や経験とともに身につけるようにするとして、実際の使い方を見ていきます。

基本的な回路で考えてみましょう

今回考えて作ってみようとしている回路

左の図が基本の回路です。

NPNトランジスタ2SC1815 の3本の足はコレクタ、ベース、エミッタ ですが、Vccの電圧がかかった状態で、小さな「ベース電流」を流すと、コレクタ→エミッタに大きな電流が流れます。 これが増幅作用です。

これをデータシートで確認しましょう。

2SC1815のデータシートから 

これはデータシートにあるグラフで、コレクタ-エミッタ間にいくらかの電圧がかかっている状態でベースに電流を流すと、大きなコレクタ電流(負荷電流)が流れることが示されています。 

例えば、コレクタエミッタ間の電圧が4Vで、そのときにベースに1mAを流せば、コレクタからエミッタに120mAの電流が流れることがわかります。 つまり、120倍の電流が電源から取り出せるのですが、このことが「増幅」と呼ばれる内容です。 

余談ですが、絶対最大定格でコレクタ電流を150mA以上流してはいけないのですが、このグラフでは、ベース電流を上げればすごい電流が流れることが示されています。 絶対最大定格は超えてはいけないので、この図は、ベース電流を流しすぎないように注意を促しているのです。

基本回路の図は、エミッタ(図の矢印のあるピン)が接地されているので、これを「エミッタ接地方式」といいます。 コレクタからエミッタに電流が流れるので、この形で用いられるのが一般的です。(これは覚えておく程度でいいです)

ここでは、最終的には、上右側の回路 *最終のかたち* のものにしよう・・・と考えています。 

つまり、トランジスタ2SC1815 を使って、ボリュームを回すことでLEDの明るさを調節できるような回路にすれば実用的なものになるでしょう。

回路を設計します

オームの法則などのおさらいを兼ねて説明しますが、考え方をイメージする程度で読み流していただいてもいいでしょう。

まず、真ん中の図でR1とR2の抵抗値を決めていきます。

まず、赤枠のLEDの下にある固定抵抗 R1 は「LEDの電流制限抵抗」でしたね。 これは、大きな電流が流れてLEDを焼損させないためのものです。

LEDの記事中でもこの計算をしましたが、抵抗値を決めるために、5mm砲弾型普通タイプのLEDでは、①LEDで2Vの電圧降下がある ②LEDには15mAの電流を流して光らせる ・・・ として計算すれば、ほとんど問題はありません。

そうすると、オームの法則 R=E/Iから、R=(5-2)/0.015=200Ω になります。

つまり、R1は 200Ω でいいのですが、手持ちがなければ近い値の抵抗器を使います。

私はいつも、「220Ω」を使っています。 大きめにしておけば、LEDは長持ちするので安心です。 ちなみに、100Ωを使うと、I=E/R で30mAとなり、若干は明るくなるのですが、短寿命になってしまいます。 もしも、明るいものが必要なら、白色LEDなどの高輝度タイプを使えば、そのほうがいいはずですから・・・。

これで、1つの抵抗値R1 が決まりました。

次にR2 ですが、ベースに電圧を加えます。 その方法としては、別の電源から持ってくるのではなくて、電源の電圧を 抵抗R2 で下げるとともに、さらに、電流値を制限してトランジスタのベースに加えます。 それが上図の真ん中の図の回路です。

これについての考え方ですが、ベースに電流をいくらか流すことで、最大15mA程度のコレクタ電流が流れるように抵抗値を決めてやればいいことになります。

データシートの特性表で必要なところを見ます

まず、この回路では、先の表にあった「最大定格」を超えるような条件ではありませんので、次に、コレクタ電流を決めるために、まず、「電流増幅率」に着目します。 

ここでは、電流増幅率は、データシートにある標準の「100」で考えます。 

上のデータシートでは、表の標準値が 100 なのでこの数字を使うのですが、その他にも「25℃でのエミッタ電圧が6Vのとき150」などがありますので、これを150 としても200としてもいいのですが、標準値で考えることにします。 

ここでは厳密に考えないでも、後で測定して確認できますし・・・。

つまり、最終的には測定して確認するので、ここでは100 としているだけですが、このように、どの数字を使うのかは「エイヤァ」と決めることも多く、これは次第に慣れるしかしょうがない・・・と思っておいてください。(もちろん、説明していきます・・・)

もちろん、「やり方・考え方」について、こんなことをすればいい・・・と覚えておいておく程度で、実際的には、下に説明するような、計算で数値を求める場面はそんなにないでしょう。

トランジスタを考える時の「3つの基本」

ここからは、電子工作を楽しむだけならば、内容すべてを理解しなくても、読み流すだけでいいと思います。 考え方だけを見ておいてください。

次の3つの考え方を基本にして R2 を求めていきます。

【1番目】 ここでは、コレクタ電流Ic=ベース電流Ibx電流増幅率h という関係があるので、これを利用します。

この式をつかうと、データシートから3つのうちの2つがわかれば、残りの数値が求められますね。

【2番目】 次に、コレクタ電流Ic=エミッタ電流Ie と考えます。

本当は、エミッタに流れる電流は、「コレクタ電流+ベース電流」になります。 しかし、ベース電流に対するコレクタ電流の増幅率が(この場合)100 としたので、コレクタ電流に比べてベース電流は1/100、すなわち、1%と小さい値ですので、その程度の違いは「どうでもいい・・・」と考えて、コレクタに流れる電流とエミッタに流れる電流は「等しい」とします。 計算を簡単にしようという目的だけです。

【3番目】 更に、エイヤッと、 エミッタベース間電圧Vbe=0.7V とします。

コレクタ電流を流すためには、ベースとエミッタ間に電圧を与えないといけません。 これは、どのトランジスタにも必要なもので、下の特性グラフから読みとってもいいのですが、細かい事は考えないで、どんな場合でも、「エイヤッ」と「0.7V」とするのです。 

下のデータシートでもそうですが、ほとんどのバイポーラトランジスタでは、 0.6~0.8程度 ですので、ここでは 0.7 としています。 実際には、0.6や0.65 として計算する人も多くおられます。 もちろん、これでも問題はありません。 ここでは 0.7 とするだけのことです。

下図では温度によってベースエミッタ間電圧が変わっていることが示されており、0.4V以上のベース・エミッタ電圧をかけないとベース電流が流れないことが読み取れます。 だから、そこそこのベース電流を流すためには、どのようなトランジスタでも、0.6~0.7V程度の電圧をベース-エミッタ間にかけてやる必要があるので、それをただ、0.7V とするとしているだけです。

ベース電流と負荷電圧

以上のこの3点から、(ボリュームの抵抗値は後で決めるとして) 結構適当なやり方ですが、これで必要な数値が(一応)計算できます。 もう一度書くと、

①コレクタ電流Ic=ベース電流Ibx電流増幅率h
②コレクタ電流Ic=エミッタ電流Ie
③エミッタベース間電圧Vbe=0.7V
   ・・・の3点です。

これから計算しようとする回路では、この3つを使わなくても良いのですが、もしも、エミッタ側に抵抗が入っていたりして複雑になっていても、常に、この3つで未知の数値を求めることができます。

さて、それでは R2を計算しましょう。

①から、ベース電流は(式を変形すると) 0.015A/100=0.00015A となり、150μA 流すことによって、(5-0.7)=4.3V の電圧降下させるのですから、オームの法則 R=E/I から、4.3/0.00015=28667Ω つまり、28.7KΩ の固定抵抗をつければ良いことになります。

市販の抵抗器には、28.7kΩという値のものはないので、22kΩか33kΩなどを使用すればいいことになります。

(LEDには200Ωの計算値に対して 220Ω の電流制限抵抗にしましたが、この場合でも、33kΩではなくて22kΩにしたとしても、LEDに電流が流れすぎて危険になることはありません。 しかし、一般的には、電流を多く流さないように、大きめの抵抗を選ぶのが安全だと言えます。 このため33kΩが正解だとしておきます)

使う抵抗のワット数ですが、電力 (電力=電圧x電流です) は 0.7x0.0015≒0.001W と非常に小さいので、1/8W などの小さい抵抗器でいいことになります。

これで R1・R2 が決まりました。 次に *最終のかたち* の回路について考えます。

実用に向けた *最終のかたち* の回路

ここでは、ボリューム(可変抵抗)を付けて、LEDの明るさを変えてみようと考えています。

下左図では、ボリュームをいっぱい回しても、少しのベース電流が流れてLEDが消灯しない可能性があるので、下図のようにベースに流さずにアースに落とす方法をとっています。

余分な電流はアースする

このボリューム R3 は 100kΩ としましょう。

なぜ100kΩなのか・・・は下で計算していますが、流れる電圧電流は小さなものですし、ボリュームをいっぱい回しても、LEDが消えなければもっと大きい1MΩなどに変えれてもいいのです。

電子工作は「手を動かして楽しむ」ものですし、このような、LEDを点灯する小電力の回路では燃えだすことはありませんから、しばしば、適当な思い切りで値を決めるのも「アリ」と考えておいてください。 計算よりも実践のほうが楽しいですから・・・。

【寄り道します】 もちろん、結果オーライでしたが、アースしない場合を計算して確かめてみましょう。

ボリュームの抵抗が最小の「0Ω」の場合には、ベース電流は計算したように150μAで、最大抵抗のときには、(5-0.7)/(100000+33000)≒33μAと計算されます。

もしも、1MΩの可変抵抗を使うとすれば、最小電流は、(5-0.7)/(1000000+33000)から、4μAとなり、ボリュームを最大抵抗値にしたとしても、いずれにしても可変抵抗器には「常に」若干の電流が流れています。

だから、このようにすると完全にLEDが消えてくれない可能性があります。(こちらのLEDの記事では、30μAでもLEDが点灯していましたから・・・)

ボリュームで抵抗値を最小にした時にベース電流が最大になって、コレクタ電流も最高になるのですが、この場合に、100kΩの抵抗に流れる電流は、いくらになるのでしょうか? 

測定してみました。・・・ 8μAでした。

おさらいですが、もしもこれを計算しようとすると、どうすればいいのでしょうか? 

何か難しそうですが、ベースからエミッタに流れる時に トランジスタ内で 0.7V 電圧低下するというのが「3つ目」の考え方でしたので、つまり、100kΩで0.7Vが電流が流れて0Vになるのですから、R=E/I から 0.7/100000=0.000007A、すなわち、計算では7μAが流れます。 

測定値は 8μA でしたが、計算値とほぼ合っています。 これを次の図でイメージしてください。

検討用回路の例

ボリュームが最小のときは、100kΩの抵抗がないとして計算すると電流値が150μAになり、100kΩの最大にすると、計算値で7μAが流れるので、ベース電流Ibは 150-7=143μA がベースからエミッタ側に流れる電流値ということになります。

このように、アースを取ることで、トランジスタのベースに流れる電流が減ったのですが、考えたことが正しいかどうかは、回路を作ってテストすれば一目瞭然ですね。

・・・ということで、実際に回路を組んで確かめてみましょう。

ブレッドボードで回路を作ります

使用した部品等 LEDと2SC1815

点灯させてみた

このように組み立ててから、電流を測ります。回路の間にテスターをつなぐので面倒ですが、下の回路図に沿って測定した値を示します。 赤字が実測値です。

回路の実測結果

ボリュームを回すとベース電流が0から0.12mAになり、それに伴ってコレクタ電流が0から11.5mA流れるようになっており、ほぼ、計画通りになりました。

写真のように、ボリュームを回すと明るさが変化します。 これで目的達成で、成功です。

最後の余談ですが・・・ 最初に、電流増幅率を100 として計算しましたが、測定では、ベース電流の最大値0.12mAとエミッタ電流の最大値11.6mA なので、約97 と、100に近い増幅率になっているのがわかります。 

つまり、「エイヤッ」と決めた値も、結果的に正解だったことになりますが、もしならなかっても、目的はLEDの明るさが調節できればいいのです。 つまり、「計算は一つの道具」ということですし、「論より証拠」で、終わりよければすべてよし・・・・です。

*****

このような安価なトランジスタを使って、簡単に電力増幅をすることができるのですから、まず、自分の手で回路を作って、それを計算して、最後に測定して確かめる・・・という一連のことをやっておけば、結構楽しめますし、真の理解ができていくでしょう。

書籍などに載っている回路は、実際に回路を組んでいるので、ほとんど問題は起きないのですが、自分で考えて回路を組むと、予期しないことやわからないことが起こるかもしれません。 しかし、それは仕方がないことで、自分が楽しむものなので「危険がなければいい」という程度に考えておいて、色々なアレンジをすると結構楽しめるでしょう。

次の記事は、2SC1815以外の、いろいろなトランジスタも同じように使うことができる・・・ということを紹介しています。

→バイポーラトランジスタの互換性を見てみよう

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