Resistiva opto-aislador (RO), también llamado photoresistive opto-aislador , vactrol (después de una marca comercial genericized introducido por Vactec, Inc. en los años 1960), análogo opto-aislador [notas 1] o fotocélula lámpara acoplados , [1] es un dispositivo optoelectrónico que consta de una fuente y un detector de luz, que están ópticamente acoplados y eléctricamente aislados entre sí. La fuente de luz es generalmente un diodo emisor de luz (LED), una miniatura de la lámpara incandescente , o, a veces una lámpara de neón , mientras que el detector es un semiconductor basadofotorresistor hecho de seleniuro de cadmio (CdSe) o sulfuro de cadmio (CdS). La fuente y el detector se acoplan mediante un pegamento transparente o mediante el aire.
Eléctricamente, RO es una resistencia controlada por la corriente que fluye a través de la fuente de luz. En el estado oscuro, la resistencia suele superar unos pocos MOhm; cuando se ilumina, disminuye a la inversa de la intensidad de la luz. A diferencia del fotodiodo y el fototransistor , el fotorresistor puede funcionar en circuitos de CA y CC [2] y tener un voltaje de varios cientos de voltios a través de él. [3] Las distorsiones armónicas de la corriente de salida por el RO están típicamente dentro del 0.1% a voltajes por debajo de 0.5 V. [4]
RO es el primer y más lento optoaislador: su tiempo de conmutación supera 1 ms, [5] y para los modelos basados en lámpara puede alcanzar cientos de milisegundos. [3] La capacitancia parasitaria limita el rango de frecuencia del fotorresistor por frecuencias ultrasónicas. Los fotorresistores a base de cadmio exhiben un "efecto memoria": su resistencia depende del historial de iluminación; también se desplaza durante la iluminación y se estabiliza en horas, [6] o incluso semanas para los modelos de alta sensibilidad. [7] El calentamiento induce la degradación irreversible de los RO, mientras que el enfriamiento por debajo de -25 ° C aumenta drásticamente el tiempo de respuesta. Por lo tanto, los RO fueron reemplazados principalmente en la década de 1970 por fotodiodos y fotorresistores más rápidos y estables. Los RO todavía se utilizan en algunos equipos de sonido, amplificadores de guitarra y sintetizadores analógicos debido a su buen aislamiento eléctrico, baja distorsión de señal y facilidad de diseño de circuitos.
Historia
En 1873, Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad del selenio. [8] A principios de la década de 1900, los estudios del fotoefecto externo en tubos de vacío dieron como resultado la producción comercial de fotorresistores. [9] En 1918, ingenieros estadounidenses y alemanes sugirieron independientemente el uso de fotocélulas de vacío para leer fonogramas ópticos en los proyectores de películas en cines, [10] y Lee de Forest , Western Electric y General Electric produjeron tres sistemas competidores utilizando tales fotocélulas. [11] [12] En 1927, la primera película sonora comercial, The Jazz Singer , se produjo en los Estados Unidos, y en 1930 las películas sonoras habían reemplazado a las películas mudas. [11]
El éxito de las películas sonoras estimuló la búsqueda de nuevas aplicaciones de fotocélulas. [13] Se consideraron varios tipos de fotocélulas: de vacío, de descarga de gas, fotovoltaicas y fotorresistivas, [14] pero la industria favoreció los dispositivos de selenio lentos [15] pero baratos. [16] A mediados de la década de 1930, las fotocélulas de selenio controlaban las líneas de montaje, los ascensores [17] y los telares . [18] Las alarmas contra incendios con sensores de selenio entraron en producción en masa en el Reino Unido y luego en los Estados Unidos. [19] Norbert Wiener propuso, y Truman Gray construyó un escáner óptico para ingresar y procesar datos en computadoras analógicas. [20] Kurt Kramer introdujo una fotocélula de selenio en la investigación médica. En 1940, Glenn Millikan construyó el primer oxímetro práctico basado en selenio para monitorear la condición física de los pilotos de la Royal Air Force . Era un RO donde la fuente de luz y el detector estaban separados por el lóbulo de la oreja del piloto. [21] [22]
A principios de la década de 1950, Teletronix usó el atenuador óptico "T4" en el compresor LA-2; además, por su sonido único, Universal Audio todavía lo usa hoy en día en sus reproducciones del LA-2. Después de la década de 1950, el selenio en las fotocélulas fue reemplazado gradualmente por CdS y CdSe. En 1960, los RO basados en lámparas incandescentes y fotorresistores CdS / CdSe se usaban en circuitos de retroalimentación en la industria, por ejemplo, para controlar la velocidad de rotación y el voltaje. A principios de la década de 1960, la introducción de fotorresistores CdS / CdSe sensibles y compactos dio como resultado la producción en masa de cámaras con exposición automática. [23] [24] Sin embargo, estos fotorresistores no fueron adoptados en medicina debido a su efecto memoria y envejecimiento rápido [24] - requerían recalibración regular que no era aceptable para la práctica médica. [25] [26]
A principios de la década de 1960, Gibson y Fender comenzaron a usar RO para modular el efecto de trémolo en amplificadores de guitarra. Ambas empresas estaban ensamblando sus RO a partir de lámparas discretas, fotorresistores y tubos de acoplamiento. [27] Mientras Gibson usaba lámparas incandescentes lentas pero baratas como fuentes de luz, Fender las reemplazó con lámparas de neón, que aumentaron la frecuencia máxima a decenas de Hz y redujeron las corrientes de control, pero dieron como resultado una modulación no lineal. Por tanto, otros productores prefirieron las lámparas incandescentes por su linealidad. [28]
En 1967, Vactec introdujo un RO compacto con la marca Vactrol. [29] A diferencia de los ROs acoplados a tubos de Fender y Gibson, los Vactrols eran dispositivos sellados y resistentes. A principios de la década de 1970, Vactec reemplazó las bombillas incandescentes por LED. Esto aumentó la velocidad de conmutación, pero no al nivel requerido para los dispositivos digitales. Por lo tanto, la introducción de fotodiodos y fototransistores más rápidos en la década de 1970 expulsó a los RO del mercado. [24] [25] Los RO conservaron nichos de aplicación estrechos en equipos de sonido y algunos dispositivos de automatización industrial que no requerían altas velocidades. [30] [31] Vactec no extendió sus derechos a la marca registrada Vactrol, [29] y se ha convertido en una palabra familiar en el idioma inglés para cualquier RO utilizado en equipos de audio, [32] incluidos los RO de Fender y Gibson. [33] A partir de 2012, los Vactrol RO fueron producidos por PerkinElmer, el sucesor de Vactec. [34]
En la Unión Europea, la producción y distribución de fotorresistores a base de Cd está prohibida desde el 1 de enero de 2010. La versión inicial de la Directiva de la UE sobre la restricción de sustancias peligrosas (RoHS), adoptada en 2003, permitía el uso de cadmio en el dispositivos que no tenían contrapartes libres de Cd. [35] Sin embargo, en 2009 la Comisión Europea excluyó de la lista de dispositivos permitidos los RO basados en Cd utilizados en equipos de audio profesionales. [36] "Desde el 2 de enero de 2013, se permite el uso de cadmio en fotorresistores para optoacopladores analógicos aplicados en equipos de audio profesionales ... Sin embargo, la exención es limitada en el tiempo, ya que la Comisión considera que la investigación de tecnología sin cadmio está en curso y los sustitutos podrían estar disponibles a finales de 2013 ". [37]
Propiedades físicas
Fuentes de luz, detectores y su acoplamiento
La mayoría de los RO utilizan CdS o CdSe como material sensible a la luz. [38]
La sensibilidad espectral de los fotorresistores CdS alcanza su punto máximo para la luz roja (longitud de onda λ = 640 nm) y se extiende hasta 900 nm. [39] Estos dispositivos pueden controlar unos pocos mA y tienen una dependencia cuasilineal de la fotocorriente de la intensidad de la luz a un voltaje constante. [38] Su alta resistencia a la oscuridad, que alcanza decenas de GOhm, [38] proporciona un alto rango dinámico con respecto a la intensidad de la luz y bajas distorsiones de señal. [40] Sin embargo, su tiempo de reacción a un cambio en la intensidad de la luz es largo, alrededor de 140 ms a 25 ° C. [38]
Los fotorresistores CdSe son de 5 a 100 veces más sensibles que los dispositivos CdS; [38] su sensibilidad alcanza su punto máximo en la región del rojo al infrarrojo cercano (670-850 nm) y se extiende hasta 1100 nm. [39] Tienen un rango dinámico y una linealidad inferiores a sus contrapartes CdS, pero son más rápidos, con una constante de tiempo de menos de 20 ms. [38]
Las fuentes de luz óptimas para fotorresistores CdS / CdSe son heteroestructuras AlGaAs (longitud de onda de emisión ~ 660 nm) o LED GaP (λ = 697 nm). [41] La luminosidad del LED es casi proporcional a la corriente de control. El espectro de emisión depende de la temperatura del LED y, por lo tanto, de la corriente, pero esta variación es demasiado pequeña para afectar la coincidencia espectral del LED y el fotorresistor. [42] [43]
Para la estabilidad mecánica, el LED y el fotorresistor están pegados con un epoxi transparente , pegamento o un polímero orgánico. [44] El pegamento también funciona como un difusor que extiende el haz de luz; si cayera cerca del borde del semiconductor y los contactos eléctricos, entonces un ligero cambio de la posición del LED podría alterar significativamente la respuesta de RO. [40]
Característica de transferencia
La característica de transferencia de RO generalmente se representa como la resistencia eléctrica del fotorresistor en función de la corriente a través de la fuente de luz; es una convolución de tres factores principales: la dependencia de la intensidad de la fuente de luz en su corriente, el acoplamiento óptico y la coincidencia espectral entre la fuente de luz y el fotorresistor, y la fotorrespuesta del fotorresistor. La primera dependencia es casi lineal e independiente de la temperatura para los LED en el rango práctico de la corriente de control. Por el contrario, para las lámparas incandescentes, la curva de luz-corriente no es lineal y el espectro de emisión varía con la temperatura y, por tanto, con la corriente de entrada. En cuanto al detector de luz, sus propiedades dependen de la temperatura, el voltaje y el historial de utilización (efecto memoria). Por lo tanto, la característica de transferencia toma un rango de valores.
El circuito equivalente del fotoresistor consta de tres componentes:
- R D - resistencia a la oscuridad, que está determinada por el semiconductor y puede oscilar entre unos pocos MOhm y cientos de GOhm; [3] [40]
- R RL - resistencia residual del fotorresistor iluminado pero sin carga, típicamente entre 100 Ohm y 10 kOhm; [40]
- R I - fotorresistencia ideal, que es inversamente proporcional a la intensidad de la luz.
Debido al gran valor de R D , la resistencia total se determina principalmente por R I . [40] El rango dinámico del fotorresistor con respecto a la iluminación es igual a la relación entre la iluminación crítica Φ cr y el umbral de sensibilidad Φ th .
R D y R I , pero no R RL , disminuyen con el aumento de voltaje que resulta en distorsiones de la señal. [40] A niveles bajos de iluminación, la resistencia de las ósmosis inversa a base de cadmio aumenta en aproximadamente un 1% al calentarlas en 1 ° C. [40] [47] A intensidades de luz más altas, el coeficiente térmico de resistencia puede cambiar sus valores e incluso su signo. [48]
Efecto memoria
Los fotorresistores a base de cadmio exhiben un efecto de memoria pronunciado, es decir, su resistencia depende de la historia de la iluminación. [50] También muestra sobreimpulsos característicos, con valores que alcanzan un mínimo o un máximo temporal después de la aplicación de luz. Estos cambios de resistividad afectan la temperatura de la RO, provocando inestabilidades adicionales. El tiempo de estabilización aumenta de forma no lineal con la intensidad de la luz y puede variar entre horas y días; [7] por convención, se supone que la salida de un RO iluminado alcanza el equilibrio en 24 horas. [6]
El efecto memoria se evalúa utilizando la relación de R max a R min (ver figura). Esta relación aumenta con la disminución de la intensidad de la luz y tiene un valor de 1,5–1,6 a 0,1 lux y 1,05–1,10 a 1000 lux para dispositivos PerkinElmer. [50] En algunos modelos de ósmosis inversa de baja resistencia, esta relación llegaba a 5,5, [50] pero en 2009 se interrumpió su producción. [51] Los fotorresistores de alta resistencia suelen tener un efecto de memoria menos pronunciado, son menos sensibles a la temperatura y tienen una respuesta más lineal, pero también son relativamente lentos. [52] Algunos dispositivos diseñados en la década de 1960 tenían un efecto de memoria insignificante, pero exhibían distorsiones de señal inaceptablemente altas a altos niveles de corriente. [53]
Frecuencias operativas
El rango de frecuencia de funcionamiento de un RO depende de las características de entrada y salida. La frecuencia más alta de la señal de entrada (de control) está limitada por la respuesta de la fuente de luz RO al cambio en la corriente de control y por la respuesta del fotorresistor a la luz; su valor típico oscila entre 1 y 250 Hz. El tiempo de respuesta de un fotorresistor para apagar la luz típicamente varía entre 2.5 y 1000 ms, [5] mientras que la respuesta para encender la iluminación es aproximadamente 10 veces más rápida. En cuanto a la fuente de luz, su tiempo de reacción a un pulso de corriente está en el rango de nanosegundos para un LED y, por lo tanto, se descuida. Sin embargo, para una lámpara incandescente es del orden de cientos de milisegundos, lo que limita el rango de frecuencia de los respectivos RO a unos pocos Hz.
La frecuencia de salida máxima (señal controlada) está limitada por la capacitancia parásita de un RO, que se origina en los electrodos formados en la superficie del fotorresistor y deriva el circuito de salida. [54] Un valor típico de esta capacitancia es decenas de picofaradios que prácticamente limita la frecuencia de salida a aproximadamente 100 kHz.
Distorsiones de ruido y señal.
En cuanto a las resistencias ordinarias, el ruido de los fotorresistores consiste en ruido térmico, de disparo y parpadeo; [55] el componente térmico domina a frecuencias superiores a 10 kHz y aporta una contribución menor a bajas frecuencias. [56] En la práctica, se desprecia el ruido de un fotorresistor si el voltaje en sus terminales es inferior a 80 V. [55]
Las distorsiones no lineales generadas por el fotorresistor son menores para una mayor intensidad de luz y para una menor resistencia del fotorresistor. Si el voltaje a través del fotoresistor no excede el umbral, que varía entre 100 y 300 mV dependiendo del material, entonces el coeficiente de distorsiones no lineales tiene un valor dentro del 0.01%, que es casi independiente del voltaje. Estas distorsiones están dominadas por el segundo armónico. Por encima del umbral de voltaje, aparece el tercer armónico y la amplitud de las distorsiones aumenta con el cuadrado del voltaje. Para una distorsión de 0,1% (−80 dB), que es aceptable para equipos de sonido de alta fidelidad, el voltaje de la señal debe estar dentro de los 500 mV. La relación de armónicos pares e impares se puede controlar aplicando una polarización de CC al fotorresistor. [57]
Degradación
Se puede inducir una degradación irreversible de un fotorresistor superando su voltaje máximo especificado incluso durante un período corto. Para dispositivos de alta resistividad, este voltaje está determinado por las corrientes de fuga que fluyen sobre la superficie del semiconductor y varía entre 100 y 300 V para. Para los modelos de baja resistividad, el límite de voltaje es más bajo y se origina en el calentamiento Joule. [58]
La vida útil de un RO está determinada por la vida útil de la fuente de luz y la deriva aceptable de los parámetros del fotorresistor. Un LED típico puede funcionar durante 10.000 horas, después de lo cual sus parámetros se degradan ligeramente. [58] Su vida útil se puede prolongar limitando la corriente de control a la mitad del valor máximo. [40] Los ROs basados en lámparas incandescentes fallan típicamente después de unas 20.000 horas, debido al desgaste de la espiral, y son más propensos a sobrecalentarse. [59]
La degradación de la fotorresistencia es gradual e irreversible. Si la temperatura de funcionamiento no supera el límite (normalmente 75 ° C o menos), por cada año de funcionamiento continuo, la resistencia a la oscuridad cae en un 10%; a temperaturas más altas, estos cambios pueden ocurrir en minutos. [60] La potencia máxima disipada en el fotorresistor normalmente se especifica para 25 ° C y disminuye en un 2% por cada ° C de calentamiento. [61]
El enfriamiento por debajo de -25 ° C aumenta drásticamente el tiempo de respuesta de una fotorresistencia. [7] Estos cambios son reversibles a menos que el enfriamiento induzca grietas en los componentes plásticos. Los RO soviéticos empaquetados en cajas de metal podían resistir incluso a -60 ° C, pero a estas temperaturas su tiempo de respuesta alcanzaba los 4 segundos. [62]
Aplicaciones
Relé de CA
Los RO de alta resistencia se pueden operar con voltajes de CA superiores a 200 V y se pueden utilizar como relés de CA o CC de baja potencia, por ejemplo, para controlar indicadores electroluminiscentes. [63]
Divisores de voltaje simples
En los circuitos de limitación de salida más simples, el RO se coloca en el brazo superior (conexión en serie) o inferior (derivación) del divisor de voltaje. [64] La conexión en serie proporciona un mayor rango de control (−80 dB) en CC y bajas frecuencias. La operación se complica por la no linealidad de la resistencia frente a la corriente de control. El estrechamiento del rango dinámico debido a la capacitancia parásita es significativo en frecuencias tan bajas como cientos de Hz. La reacción es significativamente más rápida al aumento que al descenso de la corriente de control. [sesenta y cinco]
La conexión en derivación da como resultado características de transferencia más suaves y distorsiones de señal más bajas, pero también en un rango de modulación más bajo (-60 dB). Esta limitación se elimina conectando dos divisores de derivación en serie, lo que mantiene la característica de transferencia sin problemas. [66] La mejor combinación de una característica de transferencia suave, baja distorsión, amplio rango de ajuste y tasas casi iguales de aumento y disminución del coeficiente de transmisión se logra en un circuito paralelo en serie compuesto por dos RO y una resistencia en serie. La respuesta de frecuencia de dicho circuito es similar a la de la conexión en serie. [67]
Divisores de voltaje de precisión
Los circuitos con voltaje de control definido del divisor pueden compensar la deriva térmica del LED en un RO, [68] pero no el efecto de memoria y la deriva térmica del fotorresistor. La última compensación requiere una segunda fotorresistencia (de referencia), que se ilumina con la misma intensidad de luz, a la misma temperatura que el dispositivo principal (modulador). [69] La mejor compensación se logra cuando ambos fotorresistores se forman en el mismo chip semiconductor. El fotorresistor de referencia se incluye en un divisor de voltaje estabilizado o en un puente de medida. El amplificador de error compara el voltaje en el punto medio del divisor con el valor objetivo y ajusta la corriente de control. En el régimen de control lineal, el RO se convierte en un multiplicador analógico: la corriente a través del fotorresistor es proporcional al producto del voltaje a través del fotorresistor y el voltaje de control. [70] [71]
Circuitos de control automático
En la Unión Soviética, los RO se utilizaron para la compresión de señales en telefonía de larga distancia. La lámpara incandescente del RO se conectó a la salida del amplificador operacional y el fotorresistor era parte de un divisor de voltaje en el circuito de retroalimentación de un amplificador no inversor. Dependiendo del voltaje de salida, la ganancia del circuito varió de 1: 1 a 1:10. [73] Todavía se utilizan circuitos similares en equipos de audio profesionales (compresores, limitadores y supresores de ruido). [74]
Los RO producidos por General Electric se utilizan en estabilizadores de voltaje CA. Estos estabilizadores se basan en un autotransformador que está controlado por dos conjuntos de pilas de tiristores . La lámpara incandescente de RO está protegida por una resistencia de balasto y está conectada a la salida de CA. La lámpara promedia el voltaje de salida, suprimiendo picos y distorsiones sinusoidales que se originan en la línea principal. El fotorresistor del RO está incluido en un brazo del puente de medición, generando la señal de error para el circuito de retroalimentación. [30]
Amplificadores de guitarra
El primer amplificador de guitarra con efecto de trémolo fue producido por Fender en 1955. [75] En ese amplificador, el generador de trémolo controlaba la polarización de una cascada de amplificadores ubicada cerca del circuito de salida, y sus armónicos se filtraban a la señal de salida. [76] A principios de la década de 1960, Fender y Gibson utilizaron un RO como modulador. Su fotorresistor se conectó a través de un condensador de bloqueo y un potenciómetro de control entre la salida del preamplificador y la tierra, y desvió el preamplificador cuando se activó. En este esquema, la señal de control no se filtró a la salida. [76] La profundidad de modulación fue regulada por un potenciómetro de baja impedancia colocado en el panel frontal. El potenciómetro redujo significativamente la ganancia de la etapa anterior, por lo que el preamplificador debía tener reservas por amplificación. [27]
En sus RO, Gibson utilizó lámparas incandescentes, que requerían corrientes relativamente grandes. Fender los reemplazó con lámparas de neón, que aumentaron la frecuencia de modulación y redujeron las corrientes de control. Sin embargo, en contraste con la modulación continua de Gibson, Fender usó el modo de encendido / apagado que resultó en un sonido menos agradable. Por eso, otros productores como Univibe prefirieron las lámparas incandescentes. [28]
En 1967, la mayoría de los productores de amplificadores de guitarra cambiaron de válvulas de vacío a transistores y, por lo tanto, rediseñaron sus circuitos. [77] Durante varios años, Gibson continuó usando RO en amplificadores de transistores para el efecto de trémolo. [78] En 1973, diseñaron otro circuito de control basado en RO, donde una señal de un pedal o un generador externo conectaba sin problemas un estabilizador de señal basado en diodos. [79] Sin embargo, ese mismo año abandonaron los RO en favor de los transistores de efecto de campo . [80]
Sintetizadores analógicos
RO es una herramienta simple y conveniente para sintonizar la frecuencia de osciladores, filtros y amplificadores en sintetizadores analógicos. Particularmente simple es su implementación en los filtros RC controlados por voltaje en una topología de Sallen-Key , donde el RO proporciona una dependencia casi exponencial de la frecuencia de corte de la corriente de control, sin utilizar la retroalimentación de la señal de modulación. [81] Sin embargo, debido a la lenta respuesta de los RO, la mayoría de los desarrolladores de sintetizadores de las décadas de 1970 y 1980, como ARP, Korg, Moog y Roland, prefirieron otros elementos. [notas 3] A partir de agosto de 2013, Doepfer (Alemania) produce sintetizadores basados en RO . [82] Un uso todavía popular para los RO son las puertas de paso bajo como el 292 de Buchla Electronic Musical Instruments , el Plan B Model 13 [83] y Make Noise MMG. [84]
Disparadores
La conexión en serie de un LED [notas 4] y un fotorresistor de baja resistencia hacen que el RO sea un disparador (celda de memoria) que se puede controlar mediante pulsos de corriente. En RO transparentes, el estado de dicha celda se puede controlar visualmente mediante la emisión de LED. [85] [86]
Comunicación por radio
Vactrols se han utilizado como resistencias a control remoto para precisa terminación suelo de bebida de tipo y Ewe antenas . En una configuración típica de radioaficionado , el vactrol se coloca en la caja de terminación en el punto más alejado de la antena. El LDR modifica la resistencia total entre antena y tierra (resistencia de terminación); el operador afina esta resistencia de su radio shack variando el LED del vactrol o la corriente de la bombilla con un potenciómetro . [87] [88] La sintonización con vactrols mejora el patrón cardioide direccional de la antena. Según Connelly, los vactrols son superiores a las resistencias tradicionales en esta función. [89] En este diseño simple, el LED o bombilla del vactrol es propenso a dañarse por sobretensiones inducidas por rayos y debe estar protegido por un par de lámparas de neón que actúan como descargadores de gas. [88]
Notas
- ^ En la literatura de PerkinElmer.
- ^ El esquema original tenía un cable de tierra común para las redes de audio y control. Aquí, los terrenos se dividen para demostrar un aislamiento galvánico completo. El circuito Silonex original usaba rieles de suministro duales para alimentar OA2. Si las entradas de OA2 permiten la operación de riel a riel, puede alimentarse con un solo riel positivo V cc , y el mismo riel puede duplicarse como voltaje de referencia (V ref = V cc ). No es necesario que esté regulado con precisión.
- ^ Los sintetizadores de las décadas de 1970 y 1980 a menudo utilizaban cambios en la resistencia dinámica o / y la capacitancia inversa de las uniones pn, en filtros de diodo-capacitancia con retroalimentación positiva regulada (Moog, APR). Korg usó filtros Sallen-Key convencionales donde los RO fueron reemplazados por transistores bipolares invertidos.
- ^ Los RO basados en lámparas incandescentes no son adecuados para relés debido a la combinación de una alta corriente de control y una alta resistencia de salida.
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