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Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Elétrica

ENG 04077 – Circuitos Eletrônicos I

Projeto2: Amplificador de Áudio

Prof. Hamilton Klimach

Prof. Ivan Muller

Prof. Raphael Brum

Prof. Fabio Vidor

Revisão A0.8 – 2018/1

ENG 04077 – Circuitos Eletrônicos I – Amplificador de áudio

Revisão A0.8 of 13

1. INTRODUÇÃO

Este projeto tem por objetivo agregar os conhecimentos sobre a eletrônica fundamental

que foram estudados ao longo do semestre, de forma a se desenvolver uma aplicação de uso

comum no dia-a-dia: um amplificador para sinais áudio.

O amplificador aqui proposto é capaz de excitar um alto-falante de 4 a 8 Ω com até cerca

de 4 W, quando alimentado em ±12 V.

Sua estrutura é composta por 3 estágios amplificadores, associados em cascata. O

primeiro estágio é um par diferencial (Q1 e Q2) com polarização resistiva (R2), que foi

escolhido por oferecer a possibilidade de uso de realimentação negativa (através de R4-R3-C2),

como forma de melhorar a estabilidade e a linearidade do amplificador, e de reduzir sua

resistência de saída (Ro). O capacitor C2 faz com que a taxa de realimentação aumente para DC,

resultando um ganho realimentado menor nesta situação, de forma que a tensão de off-set não

seja amplificada. Só há um resistor de coletor no par diferencial (R8) pois a saída deste estágio é

modo-comum.

O segundo estágio é um emissor-comum (Q3) PNP, que acrescenta ganho e desloca o

nível de tensão DC para próximo a ‘zero’.

O terceiro estágio é um par-complementar (Q4-Q5) coletor-comum formado por

transistores darlington NPN e PNP, que não acrescenta ganho de tensão (ganho unitário), mas

acrescenta alto ganho de corrente, de forma a possibilitar a excitação da carga com alta potência

drenando pouca corrente do estágio anterior. Os diodos (D1 e D2) formam uma pré-polarização

das junções B-E dos transistores de saída, reduzindo a distorção de cross-over deste estágio.

Com os conhecimentos estudados na disciplina, é possível a análise deste circuito e o

cálculo de seu ganho de tensão a ‘laço aberto’ (Avo) e a ‘laço fechado’ (Avf), além das

impedâncias de entrada e saída do amplificador.

Os componentes R7 e C5 formam um filtro de saída para redução de interferências de

alta frequência que possam entrar pelos cabos que vão ao alto-falante, prejudicando o

comportamento do circuito, além de amortecer transientes do próprio circuito.

Os capacitores C6-C7-C8-C9 formam filtros de alimentação, que evitam que

perturbações elétricas entrem pelos cabos de alimentação, ou saiam deles.

Os resistores R10 e R11, em série com as alimentações, permitem que se observe o

consumo de corrente do amplificador em funcionamento. Caso não seja possível a aquisição de

resistores deste valor, tente valores de até 1 ohm. Se ainda não for possível, curto-circuitos

podem ser colocados nos seus lugares, mas eliminando-se esta possibilidade de medição da

corrente.

O potenciômetro R9 permite que se ajuste o ‘volume’ do sinal de entrada, e C1 desacopla

componentes DC entre a fonte de sinal e a entrada do amplificador.

Por fim, o capacitor C4 forma uma compensação em frequência, que melhora a

estabilidade do amplificador, quando realimentado.


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2. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO E PCB

Na Fig. 1 se pode ver o diagrama esquemático do amplificador completo. O conector J1 é

para entrada de sinal (de uma fonte qualquer, como a saída de áudio P3 do seu smartphone). O

conector J2 é a saída do amplificador, que pode ser ligada a uma carga resistiva (para observação

no osciloscópio, análise de linearidade, ganho, potência de saída, etc) ou a um alto-falante

apropriado. O conector J3 permite a ligação das fontes de alimentação positiva e negativa de 12

V.

Através da medição da tensão em J6 e J8 (sobre R10 e R11) se pode estimar a corrente

consumida quando em operação. Quando não estiver medindo corrente, coloque um curto-

circuito neste jumper.

O jumper J7 permite a abertura do laço de realimentação, de forma a se observar os

efeitos da mesma sobre o comportamento do amplificador. Quando abrir J7, tenha o cuidado de

conectar J4 em curto, para criar um caminho para a corrente de polarização de base de Q2.

O jumper J5 permite que se coloque em curto os diodos de pré-polarização de Q4 e Q5,

fazendo com que o par de saída distorça o sinal por cross-over, permitindo a observação deste

efeito.

Em condições de uso normal, os jumpers J6 e J7 devem ser mantidos em curto-circuito, e

os jumpers J4 e J5 devem ser mantidos abertos.

Fig. 1: Diagrama esquemático do amplificador.

A Fig. 2 apresenta a primeira versão da PCB (V0), que será fornecida pelo professor, e

deve ser corrigida conforme indicado no texto.


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Fig. 2: Leiaute da PCB V0.

3. ROTEIRO PARA CÁLCULO DE COMPONENTES

3.1 Projeto de R2 e R8 Com a topologia do circuito amplificador dado, calcular os valores de R2 e R8 para

definir o ponto quiescente do par diferencial, respeitando os limites de operação dos transistores

dados abaixo.

Considere para o BC550 (consulte o manual):

ICMAX = 100 mA

IC MIN = 1 µA

PMAX = 500 mW

VEB = 600 mV

Sugestões:

Supor que os transistores BC550 e BD140 estarão sempre ativos;

Supor que o par diferencial estará perfeitamente equilibrado e que sua corrente na base

será desprezível (implicando VB1 = VB2 = 0 V), de forma que a corrente que passe por R2

seja dividida igualmente entre os dois transistores. Aconselha-se trabalhar na faixa entre

0,5 e 1 mA para Ic (observe que a corrente em R2 é o dobro disso).

Definido o valor de R2, calcular o valor de R8 que fornecerá a tensão VEB3 adequada para

sua operação. Isso garantirá o equilíbrio do par diferencial, quando o circuito for

realimentado. Para isso, considere VEB3 = 700 mV, despreze a corrente na base do BD140

e iguale a relação VEB3/R8 = IC2. Observação: é aconselhado se escolher o valor de R8

comercial mais próximo acima do calculado, pois um valor baixo pode despolarizar o

BD140, enquanto um valor alto apenas causa um pequeno desequilíbrio no par

diferencial, que será compensado pela realimentação.


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Simular o funcionamento do circuito com os valores de resistores escolhidos.

Encontrar a expressão do ganho do circuito para pequenos sinais em função de R3 e R4.

Considerar que o sinal de entrada terá uma amplitude em torno de 100 mVpp.

Sugestão: não é necessário se fazer o modelo completo de pequenos sinais, mas apenas

considerar os capacitores como um curto circuito e assumir que o sinal entre R3 e R4

possuirá a mesma amplitude do sinal colocado na entrada. Deseja-se uma saída de 5 a 8

Vpp em uma carga de 8 ohms.

3.2 Projeto de R3 Este amplificador opera sob realimentação negativa, a qual é formada pelos resistores R3

e R4, junto com o capacitor C2.

Considerando-se a situação onde o amplificador opera com sinal de áudio, C2 foi

calculado para sua reatância ser desprezível na faixa de frequências do áudio, de forma que este

capacitor pode ser desprezado para a realimentação sob sinal (considera-se como se C2 fosse um

curto-circuito para o sinal).

A análise pode ser simplificada como se o amplificador inteiro estivesse representado

pelo bloco amplificador diferencial da Fig. 3, com duas entradas, estando a rede resistiva de

realimentação conectada entre uma das entradas (inversora) e a saída do amplificador. Neste

diagrama, considera-se que Vin é a base de Q1 (ponto TP3), V1 é a base de Q2 e Vout é a saída

conectada em J2.

Fig. 3: Modelo simplificado do amplificador realimentado.

Se considerarmos que a impedância das entradas do amplificador diferencial é elevada,

podemos supor que as correntes nos resistores R3 e R4 são aproximadamente iguais.

Também, se considerarmos que o ganho de tensão do amplificador diferencial Avo =

Vout/Vdif é muito alto, a diferença Vdif = Vin – V1 resultará pequena. Por outro lado, Vout está

limitado a valores dentro da faixa de alimentação do amplificador diferencial. Por exemplo, se o

ganho Avo = 1.000 (fácil de atingir com dois estágios) e a alimentação for 12 V, a saída Vout

estará limitada a este valor máximo, de modo que a tensão diferencial de entrada Vdif será de, no

máximo, 12 mV, que é um valor pequeno, podendo ser desprezado frente às tensões de operação

do circuito. E sendo Vdif desprezível (considerado aproximadamente ‘zero’), pode-se considerar

válida a aproximação Vin ≈ V1.

Nesta condição, pode-se equacionar as correntes nos resistores:

(Vout – Vin)/R4 = Vin/R3

Onde, isolando-se o ganho final AVF = Vout/Vin, resulta: 4

13

VF

Vout RA

Vin R

Por fim, projete o resistor R3 para que o ganho AVF ≈ 46.


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4. MATERIAIS

4.1 Lista de materiais Abaixo, a tabela com a lista e materiais necessários para a manufatura do amplificador:

Qtde. Ref. Des. Descrição Observações

2 D1, D2 Diodo retificador 1N4001 a 1N4007

5 J4 a J8 Pinos duplos para jumper Barra simples 2,54mm (Fig. 4a)

3 TP1 a TP3 Pino para ponto de teste Barra simples 2,54mm (Fig. 4a)

2 Q1, Q2 Transistor NPN Recomenda-se BC550

1 Q3 Transistor PNP Recomenda-se BD140

1 Q4 Transistor de potência NPN Recomenda-se TIP122

1 Q5 Transistor de potência PNP Recomenda-se TIP127

1 C1 Cap. eletrolítico radial 4,7 uF / 25V

1 C3 Cap. eletrolítico radial 47 uF / 25V

1 C4 Capacitor 100 pF

1 C5 Cap. 1 nF / 63V

2 C6 a C7 Cap. 100 nF / 63V

3 C2, C8, C9 Cap. eletrolítico radial 100 uF / 25V

1 R1 Resistor 22kΩ 1/8W

1 R2 Resistor XX Ω 1/8W Para o aluno calcular.


1 R4 Resistor 15kΩ 1/8W

1 R5 Resistor 2,7kΩ 1/8W

1 R6 Resistor 3,9kΩ 1/8W

1 R7 Resistor 10 Ω 1/2W


1 R9 Potenciômetro eixo metálico 10k (A) Para áudio. (Fig. 4b)

2 R10, R11 Resistor 0,1 Ω 1/4W Se não achar, tente valores de até

1 Ω

2 J1, J2 Borne KRE 2 vias Conector (Fig. 4c)

1 J3 Borne KRE 3 vias Conector (Fig. 4d)

2 Dissipador de calor pequeno 15 x 25 x 15 mm (Fig. 4e)

5 Jumper de configuração Ver Fig. 4f

2 Parafuso M3 com porca Fixação dos dissipadores

1 Resistor 10Ω 10W (ou mais) Carga RL durante os testes

1 Plug P2 estéreo com cabo coaxial de

30 ou 40 cm Conexão da fonte de áudio


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4.2 Figuras de componentes

Figura 4a Figura 4b Figura 4c

Figura 4d Figura 4e Figura 4f

Fig. 4: Imagens de componentes utilizados no projeto.

5. MONTAGEM

Para realizar a montagem do circuito, utilize:

a PCB fornecida

os componentes calculados e os demais da lista de materiais

ferro de soldar de 30 ou 40 W

solda estanho 63/37

alicates de bico e corte, e outras ferramentas auxiliares

Antes de iniciar a montagem, observe a PCB e identifique a posição dos componentes do

circuito sobre ela.

Faça primeiro os furos necessários para os dissipadores e pontos de fixação na PCB com

broca 3 a 3,5 mm.

Fure também os dissipadores de forma a centralizar os transistores no local onde serão

montados, e corte uma das aletas de cada um conforme mostra a Fig. 4e, para evitar que se

toquem após montados. Passe a lima para remover rebarbas.

Inicie a montagem inserindo nas suas posições, os terminais dos componentes na seguinte

ordem:

resistores, capacitores e diodos;

transistores Q1, Q2 e Q3;

cortar esta aleta aqui


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Verifique com muito cuidado se todos os componentes estão na posição correta antes de

soldá-los. Se um componente for soldado na posição errada, é muito difícil removê-lo e isso

poder destruir a PCB.

Em seguida, insira nas suas posições e solde os componentes na seguinte ordem:

pinos de jumpers e pontos de teste;

conectores;

Faça agora uma revisão visual da montagem, verificando se está tudo correto, se todos os

componentes estão na posição certa, se as soldas estão bem feitas e não provocam curtos-

circuitos indesejados.

5.1 Detalhes de montagem da PCB na revisão A0 Devido a uma falha de geração dos arquivos Gerber, o plano terra (na camada topo da

PCB) não foi conectado à rede GND, e, portanto, não foram conectados os terminais GND dos

componentes. Para corrigir o problema, depois de soldar todos os componentes, utilize um fio

para prototipação (wire-up) para conectar os terminais dos componentes, conforme Fig. 5 (PCB

vista por baixo; conexão a ser feita em vermelho).

Fig. 5: Face inferior da PCB e fio de correção necessário.

Por fim, você deve soldar o potenciômetro. Também é necessário soldar o plano de terra

superior à rede GND. Faça isso pelo lado da camada topo, junto do potenciômetro R9, raspando

um pouco da tinta epóxi da superfície e soldando um fio ao terminal GND de R9, conforme a

Fig. 6 (ilha indicada pela flecha azul na Fig. 5).


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Fig. 6: Foto mostrando o ponto de solda do fio de conexão ao plano de terra superior através

do pino do potenciômetro.

Agora dobre os terminais de Q4 e Q5 em 90º, observando a posição em que ficarão

soldados na PCB, e os insira nas suas posições sobre os dissipadores, fixando os dois conjuntos

com os parafusos M3 e suas porcas. Solde os terminais destes transistores e corte os excessos.

Muito cuidado para que os terminais destes transistores não encostem nos dissipadores!

Fig. 7: Foto mostrando o amplificador montado.


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Os dissipadores deverão ter uma das aletas cortadas para evitar que se encostem, uma vez

que estarão eletricamente conectados aos coletores dos transistores de potência, que por sua vez

estão conectados ao V+ e V- da fonte. Cole uma fita isolante nas laterais dos dissipadores, na

região onde eles ficam lado a lado, evitando curtos-circuitos. A furação dos dissipadores deverá

ser marcada e feita para que centralize o transistor na PCB.

Verifique se os parafusos estão bem fixados, e se os dissipadores não se movem. O

aspecto final da montagem é apresentado na Fig. 7.

6. TESTES

6.1 Equipamentos Para realizar os testes do amplificador, serão necessários os seguintes equipamentos e

materiais:

Multiteste;

Gerador de funções;

Fonte de alimentação simétrica variável;

Osciloscópio;

Carga resistiva de 10Ω/10W.

Obs.: se você quiser fazer testes com música, leve para o laboratório um alto-falante ou caixa de

som com fios de 4 a 8 Ω e que suporte ao menos 10W, e um cabinho coaxial com plug P2

estéreo numa das pontas (para inserir na saída de áudio do seu smartphone).

6.2 Conectores e jumpers Os conectores e jumpers disponíveis na PCB são descritos abaixo:

J1: conector de entrada, ligar no gerador ou outra fonte de sinal. Observar a polaridade.

J2: conector de saída.

J3: conector de alimentação CC. Atenção, uma inversão de polaridades, mesmo que

momentânea, poderá danificar o amplificador!

J7 e J4: jumpers de realimentação; J7 deverá estar fechado e J4 aberto para operação

normal.

J5: jumper para teste de distorção de cross-over; deverá estar aberto para operação

normal.

J6 e J8: jumpers para medição de corrente de alimentação; deverão estar fechados para

operação normal.

6.3 Testes DC Após a montagem ter sido concluída, faça uma inspeção visual cuidadosa e verifique

novamente:

Todos os componentes estão montados e estão nas posições corretas? Nenhum capacitor

eletrolítico, diodo ou transistor foi montado ao contrário?

Todas as soltas estão bem feitas? Não existem curtos-circuitos? O fio de aterramento está

soldado corretamente?


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Os dissipadores estão montados adequadamente? Não há contato entre eles? Os parafusos

estão bem fixados?

Os conectores e pinos de jumpers estão montados como indicado em 5.2?

Antes de iniciar os testes, calcule as tensões e correntes DC que devem ser esperadas em

todos os nós e componentes do circuito, quando nenhum sinal for aplicado. Ajuste também as

fontes de alimentação para ±12 V antes de conectá-las ao seu amplificador.

Agora, ligue um fio colocando a entrada J1 em curto-circuito, para garantir que nenhum

sinal interferente será amplificado, e ligue os cabos de alimentação ao conector J3, com

CUIDADO para não inverter os 3 fios.

Ligue a fonte de alimentação e com o voltímetro DC meça as tensões nos pinos do

conector J3 e certifique-se que estão corretas. Meça agora as tensões nos pontos de teste TP1 e

TP2, e no nó de saída do amplificador (J2) e verifique se estão de acordo com os valores

calculados.

Observe também se nenhum componente está exageradamente quente.

Se estiver usando os resistores R10 e R11, abra os jumpers J6 e J8 e meça as correntes

drenadas das fontes positiva e negativa e compare com os seus cálculos.

Ligue a carga resistiva ao conector de saída J2 e verifique novamente todas as tensões

medidas e as correntes drenadas das fontes.

Após estas medidas, desligue a alimentação, recoloque jumpers J6 e J8 e remova o curto-

circuito colocado em J1.

Se tudo estiver certo, passe para os testes com sinal.

6.4 Testes AC Após realizados os testes DC, com o amplificador alimentado e os jumpers conectados

como dito em 5.2, e com a carga resistiva ligada à saída J2, passe para os testes com sinal.

Usando o gerador de funções, aplique um sinal senoidal de 1 kHz com 100 mVpp de

amplitude à entrada J1. Ligue os dois canais do osciloscópio, um à entrada e outro à saída do

amplificador e observe. Verifique o efeito do potenciômetro R9 no sinal de saída e deixe este

ajustado para que o sinal seja máximo.

Observe se o sinal de saída apresenta distorções ou deformações. Verifique se sua

amplitude está de acordo com o esperado, em função do ganho projetado (≈ 46).

Verifique novamente se nenhum componente está exageradamente quente. Se tudo

parecer correto, passe para as medidas de desempenho do seu amplificador.

6.4.1 Medidas de amplitudes, ganho, consumo e potência

Meça a amplitude dos sinais de saída e entrada e calcule o ganho de tensão de seu

amplificador AVF = vout/vin. O ganho está de acordo com o que foi projetado?

Deixe o potenciômetro R9 ajustado para garantir o máximo sinal na saída e aumente a

amplitude do sinal do gerador, até perceber distorções de overdrive na saída (ceifamentos). Esta

é a máxima amplitude que seu amplificador pode oferecer a uma carga sem distorção. Calcule a

máxima potência que ocorre sobre a carga. Qual a máxima potência que será aplicada a um alto-

falante de 8 Ω com esta amplitude?


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Se estiver usando os resistores R10 e R11, abra os jumpers J6 e J8 e meça as correntes

drenadas das fontes positiva e negativa. Verifique o efeito de ajustes na amplitude do sinal

(potenciômetro R9) sobre a corrente consumida. Anote as correntes consumidas com sinal

máximo e mínimo.

Na situação em que o amplificador opera com a máxima potência de saída possível sem

distorção, calcule seu rendimento:

% = 100% × Pout/PCC = 100% (VoutRMS2/RL)/(VCC+×ICC+ + VCC-×ICC-)

Após, recoloque os jumpers J6 e J8.

6.4.2 Medidas de faixa de frequências de operação

Ajuste a amplitude do sinal a 1 kHz de forma a obter na saída um sinal com 8 Vpp.

Reduza a frequência do sinal de entrada até que a saída caia para o valor de 70% do valor a 1

kHz. Esta é a mínima frequência de operação do seu amplificador fmin. Agora aumente a

frequência até que novamente o sinal de saída caia para 70% do que era a 1 kHz. Esta é a

máxima frequência de operação de seu amplificador fmax.

Observe se entre os limites fmin e fmax a saída se manteve aproximadamente constante.

Isso significa que seu amplificador tem resposta plana entre estes dois limites. Os amplificadores

frequentemente têm resposta em frequência (curva ganho vs frequência do sinal) como mostrado

na Fig. 8, com resposta aproximadamente ‘plana’ entre os limites de frequência mínima e

máxima (ω1 e ω2). Estes limites são definidos quando o ganho cai 3dB, o que representa cerca de

0,7. Um amplificador para uso em áudio deve ter uma faixa de resposta plana entre 20 Hz e 20

kHz aproximadamente.

Fig. 8: Diagrama de resposta em frequência típico de um amplificador.

6.4.3 Medidas de distorção

Com o amplificador em funcionamento e o osciloscópio mostrando a saída senoidal,

coloque o jumper J5 (que coloca os diodos em curto-circuito) e observe se ocorre distorção na

saída.

6.4.4 Medidas sem realimentação

Estas medidas são difíceis de serem realizadas, pois o amplificador tem ganho muito

elevado sem realimentação (da ordem de 2000 a 3000) e talvez você não consiga realizá-las.

Com o amplificador em funcionamento e o osciloscópio mostrando a saída senoidal,

ajuste o potenciômetro para reduzir o sinal de saída ao seu valor mínimo.


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Agora desligue a alimentação e o gerador.

Localize na PCB o nó que conecta R3-R4 e a base de Q2. Solde neste nó um fio e ligue

sua outra extremidade ao pino 1 de J4, colocando R3 em curto-circuito.

Ligue a alimentação e o gerador, e observe com o osciloscópio a saída e a entrada após o

potenciômetro (ponto TP3). Aumente a amplitude na saída (ajustando o potenciômetro) até que

tenha um sinal de grande magnitude e sem distorção.

Meça novamente o ganho AV0 = vout/vin, onde vin é o sinal observado em TP3. Este ganho

é o do seu amplificador sem o efeito da realimentação negativa, e deve estar entre 2.000 e 3.000.

Observe novamente o efeito de inserir o jumper J5 (que coloca os diodos em curto-

circuito) na distorção na saída.

Agora remova o curto-circuito que colocou sobre R3 para seguir com as medidas.

6.4.5 Medidas com áudio e alto-falante

Remova da saída do seu amplificador a carga resistiva e ligue um alto-falante de 8 Ω que

suporte ao menos 10 W.

Aplique o sinal senoidal do gerador à entrada do amplificador e observe com o

osciloscópio se o sinal de saída está correto. Ouça seu amplificador funcionando.

Varie a frequência do gerador e a amplitude do sinal e perceba como o som é modificado.

Observe quando o sinal de saída começa a ter distorção por overdrive e perceba como o som é

modificado. Aplique o jumper J5 e verifique como ocorre a distorção por cross-over.

Por fim, use um cabo coaxial com conector P2 estéreo em uma das pontas e aplique à

entrada do amplificador o sinal de saída de um smartphone. Ouça a qualidade sonora do seu

amplificador.

Se quiser, utilize dois amplificadores com alto-falantes iguais ligados às saídas L e R do

conector de áudio do seu smartphone para ter uma reprodução em estéreo.

E se quiser incrementar mais ainda seu projeto, poderia incluir um Arduíno e um módulo

Bluetooth, e fazer uma caixa de som com recepção através da interface Bluetooth do seu

smartphone.

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