Kleine aktive Magnetloop-Breitbandantenne

#7449911
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Nils, dabei bleibt anzumerken das die Schaltung von LZ1AQ von etwa 2009 ist und eindeutig experimentellen Charakter hat. Das ist sein erster (öffentlicher)und gut dokumentierter Ansatz und wird so auch gar nicht vertrieben. Was vertrieben wird, ist ein Loop Clone der Schaltung (von 2009) aus China mit etwa 50cm D. Der funktionierte letztens jedenfalls ausreichend gut (indoor) für SAQ. Mehr will man doch gar nicht ;-) Aber wie an anderer Stelle schon geschrieben war die Whip (mit 2N5109) auf dem Balkon eindeutig besser, sodaß ich alle Loops abbaue.

#7450375
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Hallo Klaus, im "loopantennas"-Forum wurde die Schaltung oft besprochen. Dort wird auch eine optimierte Version zum Kauf angeboten. Aus meiner Sicht sind aber nur einige Bauteile geändert, z.B. Transistoren und Übertrager, die Kritikpunkte von Arno bleiben aber weitgehend bestehen. Eine Version habe ich angehängt, es ist aber wohl noch nicht die aktuellste. Das Forum ist übrigens mit Chris Trask, Andrew Ikin und Chavdar Levkov hochkarätig besetzt. Mit Miniwhip bin ich versorgt, dazu vielleicht woanders mehr, für meine geplante VLF-Station brauche ich jetzt aber was für das H-Feld.

Arno, ich bin an Deiner Version wirklich sehr interessiert. Vielleicht möchtest Du die Diskussion woanders fortführen? Vielen Dank und VG Nils

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#7450453
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Nils schrieb:

Aus meiner Sicht sind aber nur einige Bauteile geändert, z.B. Transistoren und Übertrager, die Kritikpunkte von Arno bleiben aber weitgehend bestehen.

Genau so siehts aus...

Nils schrieb:

Arno, ich bin an Deiner Version wirklich sehr interessiert.

Na bitte, hier die Schaltung. Die entspricht im Prinzip genau der von mir oben in diesem Thread gezeigten Schaltung. Die einzigen nennenswerten Unterschiede betreffen die Eingangs-Basisschaltungen und den durch einen Balun ersetzten Ausgangstrafo.

Die Transistoren T1/T2 und T5/T6 bilden je einen Komposit-Transistor (Sziklai-Schaltung), der als Basisschaltung beschaltet ist. Die Basis ist festgeklemmt (D1/C1) und das Eingangssignal wird in den Komposit-Emitter eingespeist. Dieser Komposit-Transistor besitzt am Emitter einen sehr viel kleineren Eingangswiderstand als ein einzelner Transistor. Das ist essentiell, da die untere Grenzfrequenz der Schaltung durch die Beziehung fu=re/2xPixL bestimmt ist.

Die beiden Komposit-Transistoren arbeiten als basisgekoppelter Differenzverstärker für die potentialfreie Magnetloop, die an die beiden Blöcke ganz unten angeschlossen wird. Das Ausgangssignal des Eingangsdiff wird vom emittergekoppelten Diff T3/T4 verstärkt und über C8/C9 auf einen Balun gegeben, der die Ausgangssignale addiert und für eine hohe Gleichtaktunterdrückung sorgt. Der sich ergebende 50R-Ausgang ist potentialfrei.

C11 und C12 begrenzen den Frequenzgang nach oben hin und müssen je nach Wunschbandbreite gewählt werden. Ich habe nur C12 mit ein paar pF verwendet. Die Eingangsimpedanz der Schaltung ist 0,4Ohm differentiell (also 0,2Ohm je Seite), was mit einer 1m-Loop eine untere Grenzfrequenz von etwa 20kHz(-3dB) erlaubt.

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#7450457
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Der Balun ist einfach eine bifilare Wicklung auf einem Ringkern und wird wie eine normale Gleichtaktdrossel angeschlossen, also beide Wicklungsanfänge an C8/C9, die Wicklungsenden an den Ausgang. Der Kern muss im gewünschten Frequenzbereich verlustarm sein und die Wicklungsinduktivität sollte mindestens 100µH sein.

#7450460
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Nils schrieb:

für meine geplante VLF-Station

Ich habe einen VLF-Empfänger entworfen, der von 10kHz...100kHz durchgehend empfängt, mit einem Einfachpoti abgestimmt wird, keine Induktivität enthält, super empfindlich und großsignalfest ist, Breitband- und Schmalbandempfang (CW) kann und komplett analog und praktisch diskret aufgebaut ist. Natürlich ist die Frequenzanzeige mit einem analogen Zeigerinstrument gemacht. Nur leider ist der noch nicht fertig, aber ab Spätherbst kann ich wohl wieder dran arbeiten. Die wesentlichen Komponenten sind aber alle schon getestet.

#7451181
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Hallo Arno, besten Dank für die Schaltung und die ausführlichen Erklärungen! Ich werde Deinen Verstärker nachbauen und bin schon ganz gespannt auf die Ergebnisse! 2 kleine Fragen habe ich noch, macht matchen der Transistoren Sinn oder spielt das keine große Rolle, und 2. der Anschluß an die Loop mit den parallelen Elkos, was ist der Grund dafür und wie sollten sie gepolt sein? Ansonsten sollte alles klar sein! Und das Projekt mit dem VLF-Empfänger finde ich auch schon total interessant! Viele Grüße und nochmals vielen Dank, dass Du deine Schaltung hier zur Verfügung stellst! Nils

#7451200
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Nils schrieb:

2 kleine Fragen habe ich noch, macht matchen der Transistoren Sinn oder spielt das keine große Rolle, und 2. der Anschluß an die Loop mit den parallelen Elkos, was ist der Grund dafür und wie sollten sie gepolt sein?

Beide Fragen stehen in engem Zusammenhang.

Matchen macht bei symmetrischen Schaltungen immer Sinn, u.a. wegen der Gleichtaktunterdrückung, also der Unterdrückung von in die Schleife eingekopplten lokalen Störungen. Sind beide Schaltungshälfte genau gleich, dann heben sich die Störungen auf.

Falls die Transistoren (und die Widerstände) genau gleich sind, braucht man eigentlich auch keine Ankoppelkondensatoren für die Schleife. Bei Differenzen zwischen den Schaltungshälften fließt dann aber ein Ausgleichsstrom über die Schleife. Da die ja praktisch ein Kurzschluß ist (nur ein paar mOhm) verschieben sich die Arbeitspunkte der Schaltungshälften merklich. Man kommt auch mit der halben Kapazität an einer Seite aus, aber die Schleife ist dann nicht mehr potentialfrei. Such dir eine Möglichkeit aus.

An den Kondensatoren liegt praktisch keine Spannung, man kann Elkos nehmen, Polarität egal, aber besser sind keramische Vielschicht-C´s.

#7451640
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Hobby B. schrieb:

gibt es dazu schon ein Schaltplan oder weitere Infos dazu.

Was es i.M. gibt sind die vorläufigen Schaltpläne der einzelnen Funktionsgruppen und ein vorläufiges Blockschaltbild. Allerdings ändere ich immer wieder was. Kein Zustand der jetzt öffentlich gezeigt werden kann.

Vom Prinzip her ist das nichts besonderes, ein Einfachsuperhet, allerdings sind ein paar Dinge drin, die eher ungewöhnlich gelöst sind (z.B. die Mischer und die Filter).

#8101933
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Vor einiger Zeit hatte ich ein Update zu meinem hier: Beitrag "Re: Kleine aktive Magnetloop-Breitbandantenne" gezeigten Magnetloop-Verstärker angekündigt. Nun ist es soweit, die Schaltung wurde aufgebaut und ein paar einfache Messungen gemacht.

Im Bild mit den Schaltplänen ist links die alte, bekannte Schaltung, die bei mir Version 1 heißt, und rechts die neue Version 2. Mein damaliger Gegenentwurf zur Schaltung von LZ1AQ: Beitrag "Re: Kleine aktive Magnetloop-Breitbandantenne" ist bei mir die Version 0, die ich aber, wie auch die Schaltung von LZ1AQ, nie gebaut habe.

Die Schaltung Version 2 besteht aus dem schon bekannten basisgekoppelten Differenzverstärker mit Komposit-Transistoren (T1, T2, T5, T6) der ausgangsseitig auf einen komplementären Differenzverstärker (T3, T4) arbeitet. Der komplementäre Diff verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen R3 und R7 mit seiner Steilheit und liefert den Ausgangsstrom in R10, er ersetzt damit den Balun aus Version 1. R10 bestimmt allein den Ausgangswiderstand der Schaltung und er ist in weiten Grenzen frei wählbar. Zusammen mit R5 und R6 bestimmt er allerdings direkt die Verstärkung (Transimpedanz) der Schaltung.

Die LED D3 liefert die nötige Ube für die Diff-Transistoren und R6 bestimmt den Ruhestrom (~20mA) durch R10 und die Diff-Transistoren. D2 symmetriert die Arbeitspunktspannungen des Komposit-Diff. Mit R5 lässt sich die Verstärkung ohne Rückwirkung auf den Arbeitspunkt einstellen. Natürlich sinkt mit höherer Verstärkung und damit geringerer Gegenkopplung die obere Grenzfrequenz ab (Verstärkungs-Bandbreite-Produkt ~ konstant).

Der Frequenzgang der Version 2 zeigt gegenüber Version 1 eine viel niedrigere untere Grenzfrequenz. Die obere Grenzfrequenz ist geringer als bei Version 1, was aus der höheren Verstärkung resultiert. Außerdem entfällt die Überhöhung am unteren Frequenzende und der Abfall dort ist sehr viel flacher. Der Grund dafür ist die in Version 2 weggefallene Resonanz der Loop mit den Koppelkondensatoren in Version 1 und der ebenfalls weggefallene Impedanzanstieg der Koppelkondensatoren.

Mit C5 kann man am oberen Frequenzende eine Resonanz erzeugen, die den Frequenzgang deutlich ausweitet. C4 erzeugt dagegen einen Frequenzabfall, der zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen verwendet werden kann. C4 und C5 wurden bei der Frequenzgangmessung nicht verwendet.

Im Bild mit den Spektren ist ebenfalls links das Spektrum der Version 1 und rechts Version 2. Gemessen wurde von 20kHz bis 200kHz mit dem tinySA Ultra. Beide Schaltungen wurden nacheinander mit der selben 50cm-Loop betrieben. Der Standort und die Ausrichtung waren exakt (bis auf weniger als 1cm Abweichung) gleich. Man sieht, daß die neue Version 2 ein um mehr als 10dB größeres Signal und Signal-Rauschabstand liefert.

Ich wünsche viel Erfolg beim Nachbau und Betrieb.

#8102351
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Dirk schrieb:

Hallo Arno, Version 2 sieht gut aus. Und sie benötigt keinerlei Übertrager, weder am Loopeingang, noch am Ausgang?

Genau, außer der Loop selbst ist keine Induktivität mehr nötig. Das war einer der wesentlichen Gründe für den Entwurf. Die damalige Bastelei mit dem Balun in Version 1 (etliche Kerne bewickelt und gemessen) ist mir echt auf den Keks gegangen.

Dirk schrieb:

Jetzt weiß man aber nicht, wie die LZ1AQ-Schaltung gegen deine Schaltung Version 2 performt - oder doch?

Einen gewissen Vergleich gibt es. Johann war so freundlich, die Version 0 gegen die LZ1AQ-Schaltung zu vergleichen:

Beitrag "Re: Mini Loopantenne mit NE592N14"
Beitrag "Re: Mini Loopantenne mit NE592N14"

Meine Version 2 ist deutlich besser als Version 1 und erst recht besser als die von Johann gemessene Version 0.

: Bearbeitet durch User
#8102518
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Anmerkung: Besser ist immer nur dann, wenn deine Kreation auch bis 30MHz besser oder zumindest nicht schlechter ist als die LZ1AQ . Es reicht leider nicht wenn sie in deinem speziellen Empfangsbereich wie VLF besser ist. Es gehört auch dazu gesagt wenn sie zb. bei 15MHz schon mehr abfällt als die LZ1AQ. Ich bin Kurzwellen und AFU Hörer, VLF ist für mich weniger von Bedeutung. 73

#8102541
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Herbert Z. schrieb:

Besser ist immer nur dann, wenn deine Kreation auch bis 30MHz besser oder zumindest nicht schlechter ist als die LZ1AQ .

Alle meine Versionen liefern dort mehr Pegel als die LZ1AQ. Einfach mal die entsprechende Kurve in diesem Beitrag ansehen: Beitrag "Re: Kleine aktive Magnetloop-Breitbandantenne"

Was man im Frequenzgang-Diagramm sieht, ist der relative Pegel, also im Bezug zu anderen Frequenzen. Die Kurve fällt zu hohen Frequenzen früher ab, weil die Verstärkung in Version 2 für niedrige und mittlere Frequenzen viel höher eingestellt ist als bei den anderen Versionen. Das ist alles nur eine Frage der Dimensionierung der Schaltung.

Arno R. schrieb:

Natürlich sinkt mit höherer Verstärkung und damit geringerer Gegenkopplung die obere Grenzfrequenz ab (Verstärkungs-Bandbreite-Produkt ~ konstant).

#8102556
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Arno R. schrieb:

Die Kurve fällt zu hohen Frequenzen früher ab, weil die Verstärkung in Version 2 für niedrige und mittlere Frequenzen viel höher eingestellt ist als bei den anderen Versionen. Das ist alles nur eine Frage der Dimensionierung der Schaltung.

Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts mal eine Simulation der Version 2 mit den Werten aus dem realen Aufbau. Wenn man die Verstärkung reduziert (R5 --> 1M) nimmt die Bandbreite deutlich zu. Bei 1MHz ist die Differenz der Kurven 10dB, bei 30MHz nur noch gut 3dB.

#8102573
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Arno R. schrieb:

Gemessen wurde von 20kHz bis 200kHz mit dem tinySA Ultra.

Hallo Arno,

erstmal Danke für die Vorstellung der neuen Version. Ist eine Interessant Schaltung, besonders da sie völlig ohne Übertrager auskommt. Was mich hier noch kurz Interessieren würde, wie genau ist das Messergebnis beim tinySA Ultra unter 100kHz zu bewerten.

Falls zufällig jemand PCBs in THT fertigen sollte, wäre ich daran Interessiert.

Gruß bastler2022

#8102589
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Hobby B. schrieb:

wie genau ist das Messergebnis beim tinySA Ultra unter 100kHz zu bewerten.

Das ist eine schwere Frage. Im "Datenblatt" steht, daß der ab 50kHz brauchbar funktionieren soll. Das Gekrischel unterhalb 50kHz ist auch da, wenn der mit offenem (abgeschirmt) oder kurzgeschlossenem Eingang sein eigenes Rauschspektrum aufnimmt. Der DCF77 ist aber schon rel. sauber zu sehen, ab da sollte das Ding also brauchbar sein.

: Bearbeitet durch User
#8102701
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Hallo Arno, Danke für die schnelle Antwort.

Eine Frage habe ich noch. Die hier angegebenen beiden Transistortypen 2SC1815 und 2SA1015 vertragen nach meinen Datenblättern nur max. 150mA. Ist das nicht etwas wenig? Andere aktive aperiodische Loopantennen ziehen richtig Strom für lineare Verstärkung bzw. Großsignalfestigkeit, so weit mir bekannt.

https://www.mikrocontroller.net/attachment/706373/Schaltplan_Magnetloop-Verstaerker_Versionen_1_und_2.png

(ich freue mich natürlich, wenn das schon mit relativ wenig Strom bestens funktioniert, aber das war mir noch aufgefallen)

Bei deinem Aufbau ist die Betriebsspannung 12V, richtig? Könnte so etwas auch mit 5V zuverlässig funktionieren? 5V Phantomspeisung wäre bei mir schon vorhanden und bei vielen anderen vermutlich auch :)

#8102705
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Hallo Arno

Danke für die Vorstellung Deines neuen Konzeptes. Jetzt bin ich froh, die Version 1 noch nicht fertig aufgebaut zu haben. Das Lötinsel-Layout war schon lange fertig und die Platine zugeschnitten - aber die Zeit... Nun werde ich es noch ändern und die Version 2 bei nächster Gelegenheit aufbauen und über das Resultat berichten.

Bis dahin Johann

#8102748
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Dirk schrieb:

Eine Frage habe ich noch. Die hier angegebenen beiden Transistortypen 2SC1815 und 2SA1015 vertragen nach meinen Datenblättern nur max. 150mA. Ist das nicht etwas wenig? Andere aktive aperiodische Loopantennen ziehen richtig Strom für lineare Verstärkung bzw. Großsignalfestigkeit, so weit mir bekannt.

Der Sender bei 139kHz erzeugt bei mir den höchsten Pegel mit 74dBµV, also etwa 50mVeff oder 140mVpp an 30Ohm (75||50). Die Arbeitspunktströme sind in allen Stufen ca. 20mA, die Aussteuerung ist +-70mV/30Ohm~+-2,3mA, also etwa 11%. Laut Simulator erzeugt die Schaltung bei diesen Bedingungen einen Klirrfaktor von ~0,3%. Sollte der Pegel zu groß sein, kann man einfach die Verstärkung durch Vergrößern von R5 reduzieren. Die dann stärkere Gegenkopplung reduziert dabei den Klirrfaktor überproportional.

Große Arbeitspunktströme vergrößern die Steilheit der Transistoren und reduzieren dadurch den Eingangswiderstand in Basisschaltung, was bei Schaltungen wie LZ1AQ auch bitter nötig ist, um halbwegs brauchbare untere Grenzfrequenzen zu bekommen. Große Ströme bringen aber auch hohe Verluste und mehr Rauschen. Anstatt mit der Holzhammermethode einen kleinen Eingangswiderstand zu bekommen, habe ich mir eben eine andere Schaltung (Komposit-Diff) überlegt. Da bekommt man mit weniger Strom erheblich bessere Eigenschaften.

#8102750
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Arno R. schrieb:

Der Sender bei 139kHz erzeugt bei mir den höchsten Pegel mit 74dBµV, also etwa 50mVeff oder 140mVpp an 30Ohm (75||50). Die Arbeitspunktströme sind in allen Stufen ca. 20mA, die Aussteuerung ist +-70mV/30Ohm~+-2,3mA, also etwa 11%. Laut Simulator erzeugt die Schaltung bei diesen Bedingungen einen Klirrfaktor von ~0,3%.

Ähh, habe mich um den Faktor 10 vertan. 74dBµV sind nur 5mVeff oder 14mVpp. Daher nur ~1% Aussteuerung und 0,03% Klirrfaktor. Der Klirrfaktor wurde bei 10MHz bestimmt, bei 1MHz ist er genauso groß.

Dirk schrieb:

Könnte so etwas auch mit 5V zuverlässig funktionieren?

Nein, mit 5V funktioniert die Schaltung nicht.

: Bearbeitet durch User
(Firma: Privatier) #8102763
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Hallo Arno, kannst du auch mal zeigen, wie sich deine Schaltung bei höheren Kurzwellenfrequenzen schlägt?

Anbei eine Vergleichsmessung mit YouLoop-Antenne und meinem Antennenverstärker bei 15.665MHz. QTH: Hamburg

Für DCF39 gibt es diese ältere Messung: Beitrag "Re: [V] 8x Aktiver Antennenverstärker für Magn. Loop (0,2-50 MHz, Li-Ion Akku, im Gehäuse, je 119€)"

Ich bin in der Tat mit meiner an LZ1AQ angelehnten Schaltung außerhalb meines Sweetspots. Aber das Ergebnis braucht sich hinter deinem nicht verstecken. (Entfernung vom Sender Burg bei dir 150km bei mit 199km).

Arno R. schrieb:

Schaltungen wie LZ1AQ auch bitter nötig ist, um halbwegs brauchbare untere Grenzfrequenzen zu bekommen.

73 de FME

#8102769
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Frank M. schrieb:

Hallo Arno, kannst du auch mal zeigen, wie sich deine Schaltung bei höheren Kurzwellenfrequenzen schlägt? Anbei eine Vergleichsmessung mit YouLoop-Antenne und meinem Antennenverstärker bei 15.665MHz. QTH: Hamburg

Im Anhang eine Messung von gerade eben, einmal ohne LNA (das hatte ich zunächst übersehen) und einmal mit LNA. Alle Einstellungen wie bei dir. Antenne: 50cm-Loop, 4,5mm Cu massiv.

Angehängte Dateien:
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#8102792
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Frank M. schrieb:

Hallo Arno, kannst du auch mal zeigen, wie sich deine Schaltung bei höheren Kurzwellenfrequenzen schlägt?

Im Prinzip sieht man das ja im oben gezeigten gemessenen Frequenzgang. Allerdings ist der im oberen Bereich schlechter als die Simulation. Das liegt wohl zum Teil an den Simulationsmodellen, die in manchen Parametern sehr optimistisch sind, und vielleicht auch an den Transistoren. Auf denen zwar 2SA1015 bzw. 2SC1815 draufsteht, die aber aus diesem Kasten sind: https://www.amazon.de/900-Stck-18-Arten-Transistor-50-1500-mA-Sortiment/dp/B07B2TLQZS Ich bin mir nicht sicher, daß die die gleichen Daten wie Toshiba-Originale haben. Leider habe ich aber nichts anderes. Immerhin passt die Pinbelegung und die Kapazitäten sind auch plausibel.

: Bearbeitet durch User
#8102855
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Henrik V. schrieb:

Da es sich ja um einem Transimpedanzverstärker handelt, wieviel V/A kommen da so etwa raus? (von R5 abhängig, klar) Oder habe ich das überlesen?

Die Transimpedanz ist bei 1MHz und R10 = 75 Ohm etwa 670 Ohm (R5 --> unendlich), bzw. etwa 2100 Ohm (R5 = 11 Ohm). 11 Ohm deswegen, weil ich nur ganz wenige 10 Ohm-Widerstände da habe, aber ca. 500 x 11 Ohm.

Die untere Grenzfrequenz ist etwa 30kHz (-3dB) an meiner 50cm-Loop. Das entspricht weniger als 0,3Ohm Eingangswiderstand (differentiell, also 0,15Ohm je Seite). Mit einer 1m-Loop kommt man auf 14kHz (-3dB).

: Bearbeitet durch User

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