ベーシックエレクトロニクス

基本的な電子機器を使い始めるのは、思っているより簡単です。 このInstructableは、電子回路の基礎を分かりやすく説明し、回路の構築に興味がある人なら誰でもすぐに使えるようになることを願っています。 これは実用的なエレクトロニクスの概要であり、電気工学の科学を深く掘り下げることは私の目標ではありません。 基本的な電子工学の科学について詳しく知りたい場合は、Wikipediaで検索を開始してください。

このInstructableの終わりまでに、基本的な電子工学を学ぶことに興味がある人は誰でも、標準的な電子部品を使用して回路図を読み、回路を構築できるはずです。

電子機器のより包括的で実践的な概要については、電子機器クラスをご覧ください。

ステップ1:電気

電気信号には、交流(AC)と直流(DC)の2種類があります。

交流では、電気が回路全体を流れる方向が常に反転しています。 あなたはそれが交互の方向であるとさえ言うかもしれません。 反転率はヘルツで測定されます。これは、1秒あたりの反転数です。 したがって、米国の電源が60 Hzであると彼らが言うとき、彼らが意味することは、毎秒120回(サイクルごとに2回)反転しているということです。

直流では、電気は電力と地面の間を一方向に流れます。 この配置では、常に正の電圧源と接地(0V)電圧源があります。 これをテストするには、マルチメーターでバッテリーを読み取ります。 これを行う方法に関する優れた手順については、Ladyadaのマルチメーターページを確認してください(特に電圧を測定する必要があります)。

電圧といえば、電気は通常、電圧と電流定格を持つものとして定義されます。 電圧は明らかにボルトで評価され、電流はアンペアで評価されます。 たとえば、新しい9Vバッテリーの電圧は9Vで、電流は約500mA(500ミリアンペア)です。

電気は、抵抗とワットで定義することもできます。 次のステップで抵抗について少し説明しますが、私は詳細にワットを超えるつもりはありません。 エレクトロニクスを深く掘り下げると、ワット定格のコンポーネントに遭遇します。 コンポーネントのワット数定格を超えないことが重要ですが、幸いなことに、DC電源のワット数は、電源の電圧と電流を掛けることで簡単に計算できます。

これらのさまざまな測定値、それらの意味、およびそれらがどのように関連しているかをよりよく理解したい場合は、オームの法則に関するこの有益なビデオをご覧ください。

ほとんどの基本的な電子回路はDC電気を使用しています。 そのため、電気に関するこれ以降のすべての議論は、DC電気を中心に展開されます。

ステップ2:回路

回路は、電流が流れることができる完全かつ閉じた経路です。 言い換えれば、閉回路は、電力と接地間の電気の流れを可能にします。 開回路は、電源とアース間の電気の流れを中断します。

この閉じたシステムの一部であり、電力とグランド間で電気が流れることを可能にするものはすべて、回路の一部と見なされます。

ステップ3:抵抗

次に留意すべき重要な考慮事項は、回路内の電気を使用する必要があるということです。

たとえば、上の回路では、電気が流れるモーターが電気の流れに抵抗を加えています。 したがって、回路を通過するすべての電気が使用されます。

言い換えれば、電気の流れに抵抗を加えてそれを使い果たすプラスとグランドの間に配線されたものが必要です。 正の電圧がグランドに直接接続されていて、モーターなどの抵抗を追加するものを最初に通過しない場合、短絡が発生します。 これは、正の電圧が直接グランドに接続されていることを意味します。

同様に、電気が回路に十分な抵抗を追加しないコンポーネント(またはコンポーネントのグループ)を通過すると、同様に短絡が発生します(オームの法則のビデオを参照)。

ショートは、バッテリーや回路の過熱、破損、火災、爆発の原因となるため、不良です。

正の電圧が直接グランドに配線されないようにすることにより、短絡を防ぐことが非常に重要です。

とは言っても、 電気は常に地面への抵抗が最も少ない経路をたどることに留意してください。 これが意味することは、正の電圧をモーターに通して接地するか、電線を直接接地するかを選択すると、電線の抵抗が最小になるため電線に追従するということです。 これは、ワイヤを使用して抵抗のソースを直接グランドにバイパスすることにより、短絡が発生したことも意味します。 物事を並列に配線する際に、誤って正の電圧をアースに接続しないようにしてください。

また、スイッチは回路に抵抗を追加せず、電源とグランドの間にスイッチを追加するだけで短絡が発生することに注意してください。

ステップ4:シリーズ対。 平行

直列および並列と呼ばれるものを一緒に配線できる2つの異なる方法があります。

物事が直列に配線されると、物事は次々に配線され、電気はあるものを通過し、次の物を通過し、次の物を通過しなければなりません。

最初の例では、モーター、スイッチ、バッテリーはすべて直列に配線されています。これは、電気が流れる唯一の経路が次から次へ、そして次へであるためです。

物事が並列に配線されている場合、それらは並んで配線されているので、電気はある共通点から別の共通点にそれらのすべてを同時に通過します

次の例では、電気が1つの共通点から別の共通点に両方のモーターを通過するため、モーターは並列に配線されます。

最後の例では、モーターは並列に配線されていますが、並列モーターのペア、スイッチ、およびバッテリーはすべて直列に配線されています。 そのため、電流はモーター間で並列に分割されますが、回路のある部分から次の部分に直列に流れる必要があります。

これがまだ意味をなさない場合、心配しないでください。 独自の回路の構築を開始すると、これらすべてが明らかになり始めます。

ステップ5:基本コンポーネント

回路を構築するには、いくつかの基本的なコンポーネントに精通する必要があります。 これらのコンポーネントは単純に見えるかもしれませんが、ほとんどのエレクトロニクスプロジェクトの基本です。 したがって、これらのいくつかの基本的な部分について学ぶことにより、あなたは長い道のりを行くことができるでしょう。

これらのそれぞれが今後のステップで何であるかについて詳しく説明しますので、ご容赦ください。

ステップ6:抵抗器

名前が示すように、抵抗器は回路に抵抗を追加し、電流の流れを減らします。 回路図では、値の隣の尖った波線として表されます。

抵抗器の異なるマーキングは、抵抗値が異なることを表しています。 これらの値はオームで測定されます。

抵抗器には異なるワット数定格もあります。 ほとんどの低電圧DC回路には、1/4ワットの抵抗が適しているはずです。

(通常)ゴールドバンドに向かって左から右に値を読み取ります。 最初の2色は抵抗値を表し、3番目は乗数を表し、4番目(ゴールドバンド)はコンポーネントの許容誤差または精度を表します。 抵抗器の色値チャートを見ると、各色の値がわかります。

または...生活を楽にするために、グラフィカルな抵抗計算機を使用して値を調べることができます。

とにかく...茶色、黒、オレンジ、金のマーキングが付いた抵抗器は次のように変換されます。

1(茶色)0(黒)x 1, 000 = 10, 000、許容誤差+/- 5%

1000オームを超える抵抗は、通常、文字Kを使用して短絡されます。たとえば、1, 000は1Kです。 3, 900は3.9Kに変換されます。 470, 000オームは470Kになります。

100万を超えるオームの値は、文字Mを使用して表されます。この場合、1, 000, 000オームは1Mになります。

ステップ7:コンデンサー

コンデンサは、電気を蓄え、電気が落ちたときに回路に放電するコンポーネントです。 安定した流れを確保するために干ばつがあるときに水を放出する貯水タンクと考えることができます。

コンデンサはファラッドで測定されます。 通常、ほとんどのコンデンサで発生する値は、ピコファラッド(pF)、ナノファラッド(nF)、およびマイクロファラッド(uF)で測定されます。 これらはしばしば互換的に使用され、変換チャートを手元に置いておくと役立ちます。

最もよく見られるタイプのコンデンサーは、2本のワイヤーが突き出ている小さなM&Mのように見えるセラミックディスクコンデンサーと、2本のワイヤーが底部(または両端)から出ている小さな円筒管のように見える電解コンデンサーです。

セラミックディスクコンデンサは無極性です。つまり、回路にどのように挿入しても、電気はコンデンサを通過できます。 それらは通常、デコードする必要がある番号コードでマークされています。 セラミックコンデンサの読み取り手順については、こちらをご覧ください。 このタイプのコンデンサは、通常、回路図で2本の平行線として表されます。

電解コンデンサは通常、分極されています。 これは、一方の脚を回路の接地側に接続し、もう一方の脚を電源に接続する必要があることを意味します。 後方に接続されている場合、正しく機能しません。 電解コンデンサには、通常uFで表される値が書き込まれています。 また、マイナス記号(-)で地面に接続する脚をマークします。 このコンデンサは、回路図では、横に並んだ直線と曲線として表されます。 直線は、電源に接続された端とグランドに接続された曲線を表します。

ステップ8:ダイオード

ダイオードは、分極されるコンポーネントです。 電流が流れるのは一方向のみです。 これは、電気が間違った方向に流れるのを防ぐために回路に配置できるという点で便利です。

留意すべきもう1つのことは、ダイオードを通過するためにエネルギーが必要であり、これにより電圧が低下することです。 通常、これは約0.7Vの損失です。 これは、後でLEDと呼ばれる特別な形式のダイオードについて話すときに覚えておくことが重要です。

ダイオードの一端にあるリングは、グランドに接続されているダイオードの側面を示しています。 これがカソードです。 その後、反対側が電源に接続します。 この側は陽極です。

通常、ダイオードの部品番号はそれに書かれており、そのデータシートを調べることにより、さまざまな電気的特性を見つけることができます。

それらは、それを指す三角形のある線として回路図で表されます。 ラインは、グランドに接続されている側であり、三角形の下部は電源に接続されています。

ステップ9:トランジスタ

トランジスタは、ベースピンで小さな電流を取り込み、それを増幅して、より大きな電流がコレクタピンとエミッタピンの間を通過できるようにします。 これら2つのピン間を流れる電流の量は、ベースピンに印加される電圧に比例します。

トランジスタには、NPNとPNPの2つの基本的なタイプがあります。 これらのトランジスタは、コレクタとエミッタの間で反対の極性を持っています。 トランジスタの非常に包括的な紹介については、このページをご覧ください。

NPNトランジスターは、電気がコレクターピンからエミッターピンに流れることを可能にします。 それらは、ベースの線、ベースに接続する対角線、およびベースから離れる方向を指す対角線の矢印で回路図に表されます。

PNPトランジスタを使用すると、電気がエミッタピンからコレクタピンに流れます。 これらは、ベースの線、ベースに接続する対角線、およびベースに向かう対角線の矢印で回路図に表されます。

トランジスタには部品番号が印刷されており、データシートをオンラインで検索してピンレイアウトと特定のプロパティを確認できます。 トランジスタの電圧と電流の定格にも注意してください。

ステップ10:集積回路

集積回路は、小型化され、1つの小さなチップに収まる特殊な回路全体であり、チップの各脚が回路内のポイントに接続されています。 これらの小型回路は、通常、トランジスタ、抵抗、ダイオードなどのコンポーネントで構成されています。

たとえば、555タイマーチップの内部回路図には、40以上のコンポーネントが含まれています。

トランジスタと同様に、集積回路のデータシートを参照することにより、集積回路に関するすべてを学ぶことができます。 データシートでは、各ピンの機能を学習します。 また、チップ自体と各ピンの両方の電圧と電流の定格を記載する必要があります。

集積回路にはさまざまな形状とサイズがあります。 初心者として、主にDIPチップを使用します。 これらには、スルーホール取り付け用のピンがあります。 より高度になると、回路基板の片側にはんだ付けされた表面実装のSMTチップを検討するかもしれません。

ICチップの一方の端にある丸いノッチは、チップの上部を示しています。 チップの左上のピンはピン1とみなされます。ピン1から、下に達するまで(つまり、ピン1、ピン2、ピン3 ..)を下から順番に読み取ります。 一番下に来たら、チップの反対側に移動し、再び上に達するまで数字を読み始めます。

一部の小さなチップでは、チップの上部にあるノッチではなく、ピン1の隣に小さなドットがあることに注意してください。

すべてのICを回路図に組み込む標準的な方法はありませんが、多くの場合、それらは数字(ピン番号を表す数字)を含むボックスとして表されます。

ステップ11:ポテンショメーター

ポテンショメータは可変抵抗器です。 簡単な英語で言うと、回路の抵抗を変えるために回したり押したりするノブやスライダーがあります。 ステレオまたはスライディングライト調光器でボリュームノブを使用したことがある場合は、ポテンショメーターを使用しています。

ポテンショメータは抵抗のようにオームで測定されますが、カラーバンドではなく、値の評価が直接書き込まれます(つまり「1M」)。 また、「A」または「B」でマークされており、それが持つ応答曲線のタイプを示しています。

「B」でマークされたポテンショメータには、線形応答曲線があります。 つまり、ノブを回すと、抵抗が均等に増加します(10、20、30、40、50など)。 「A」でマークされたポテンショメータには、対数応答曲線があります。 つまり、ノブを回すと、数値は対数的に増加します(1、10、100、10, 000など)

ポテンショメータには、基本的に2つの抵抗が直列に接続された分圧器を作成するための3本の脚があります。 2つの抵抗が直列に接続されている場合、それらの間のポイントは、ソース値とグランドの間の値である電圧です。

たとえば、電源(5V)とグランド(0V)の間に直列に2つの10K抵抗器がある場合、これら2つの抵抗器が一致する点は、両方の抵抗器の値が同じであるため、電源の半分(2.5V)になります。 この中点が実際にポテンショメータの中央ピンであると仮定すると、ノブを回すと、中央ピンの電圧は実際に5Vに向かって増加するか、0Vに向かって減少します(どちらに回すかによって)。 これは、回路内の電気信号の強度を調整するのに役立ちます(したがって、ボリュームノブとして使用します)。

これは、回路の中で抵抗が中央に向かう矢印で表されます。

外側のピンの1つと中央のピンのみを回路に接続すると、回路内の抵抗のみが変更され、中央のピンの電圧レベルは変更されません。 多くの場合、調整可能な分圧器を作成せずに特定のポイントで抵抗を変更したいだけなので、これも回路構築に役立つツールです。

多くの場合、この構成は、一方の側から出て、中央に向かうようにループバックする矢印付きの抵抗器として回路で表されます。

ステップ12:LED

LEDは発光ダイオードの略です。 これは基本的に、電気が通過すると点灯する特殊なタイプのダイオードです。 すべてのダイオードと同様に、LEDは偏光されており、電気は一方向にのみ通過することを目的としています。

通常、電気が通る方向とLEDを知らせる2つのインジケータがあります。 LEDが長い正のリード線(アノード)と短い接地リード線(カソード)を持つことを示す最初のインジケータ。 もう1つのインジケータは、LEDの側面にある平らな切り込みで、正極(陽極)リードを示します。 すべてのLEDにこの表示ノッチがあるわけではないことに注意してください(または間違っていることもあります)。

すべてのダイオードと同様に、LEDは回路内で電圧降下を引き起こしますが、通常は抵抗を追加しません。 回路の短絡を防ぐには、抵抗を直列に追加する必要があります。 最適な強度に必要な抵抗の大きさを把握するには、このオンラインLED計算機を使用して、単一のLEDに必要な抵抗の大きさを把握できます。 多くの場合、電卓から返される値よりもわずかに大きい抵抗を使用することをお勧めします。

LEDを直列に配線したいと思うかもしれませんが、LEDが連続して点灯すると、最終的にそれらを点灯させるのに十分な電力がなくなるまで電圧が低下することに注意してください。 そのため、複数のLEDを並列に配線して点灯させることが理想的です。 ただし、これを行う前に、すべてのLEDの電力定格が同じであることを確認する必要があります(多くの場合、異なる色の定格は異なります)。

LEDは、発光ダイオードであることを示すために、稲妻が付いたダイオードシンボルとして回路図に表示されます。

ステップ13:スイッチ

スイッチは基本的に、回路にブレークを生じさせる機械的なデバイスです。 スイッチをアクティブにすると、回路が開閉します。 これは、スイッチのタイプによって異なります。

ノーマリオープン(NO)スイッチは、起動時に回路を閉じます。

ノーマルクローズ(NC)スイッチは、作動すると回路を開きます。

スイッチがより複雑になると、1つの接続を開き、アクティブ化された別の接続を閉じることができます。 このタイプのスイッチは、単極双投スイッチ(SPDT)です。

2つのSPDTスイッチを1つの単一スイッチに結合する場合、それは双極双投スイッチ(DPDT)と呼ばれます。 これにより、スイッチがアクティブになるたびに、2つの個別の回路が破損し、他の2つの回路が開きます。

ステップ14:バッテリー

バッテリーは、化学エネルギーを電気に変換する容器です。 問題を過度に単純化するために、それは「電力を蓄積する」と言うことができます。

バッテリーを直列に配置すると、連続する各バッテリーの電圧が加算されますが、電流は同じままです。 たとえば、単3電池は1.5Vです。 3を直列に接続すると、合計で4.5Vになります。 直列に4番目を追加すると、6 Vになります。

バッテリーを並列に配置することにより、電圧は同じままですが、利用可能な電流の量は倍になります。 これは、電池を直列に配置するよりもはるかに少ない頻度で行われ、通常、回路が単一の電池シリーズが提供できるよりも多くの電流を必要とする場合にのみ必要です。

単三電池ホルダーを入手することをお勧めします。 たとえば、1、2、3、4、および8個の単三電池を収納する品揃えを入手します。

バッテリーは、回路内で異なる長さの一連の交互の線で表されます。 また、電力、接地、電圧定格の追加のマーキングがあります。

ステップ15:ブレッドボード

ブレッドボードは、電子機器のプロトタイピング用の特別なボードです。 それらは、電気的に連続した列に分割された穴のグリッドで覆われています。

中央部には、横に並んだ2つの列があります。 これは、集積回路を中央に挿入できるように設計されています。 挿入後、集積回路の各ピンには、電気的に連続した穴の列が接続されます。

このようにして、はんだ付けやワイヤの撚り合わせを行わずに、回路をすばやく構築できます。 配線されている部品を電気的に連続した列の1つに接続するだけです。

ブレッドボードの各端には、通常2つの連続したバスラインが走っています。 1つは電源バスとして、もう1つは接地バスとして使用されます。 これらのそれぞれに電源とグランドをそれぞれ接続することにより、ブレッドボード上のどこからでも簡単にアクセスできます。

ステップ16:配線

ブレッドボードを使用して物事を接続するには、コンポーネントまたはワイヤを使用する必要があります。

ワイヤは、回路に実質的に抵抗を追加せずに物を接続できるので便利です。 これにより、後でワイヤで接続できるため、パーツを配置する場所について柔軟に対応できます。 また、パーツを複数の他のパーツに接続することもできます。

絶縁22awg(22ゲージ)ソリッドコアワイヤを使用することをお勧めします。 Radioshackで入手できます。 通常、赤い線は電源接続を示し、黒い線は接地接続を示します。

回路でワイヤを使用するには、一片をサイズに合わせてカットし、ワイヤの両端から1/4インチの絶縁体を剥がし、それを使用してブレッドボード上のポイントを接続します。

ステップ17:最初のサーキット

パーツリスト:
1Kオーム-1/4ワット抵抗
5mm赤色LED
SPSTトグルスイッチ
9Vバッテリーコネクタ

回路図を見ると、1Kの抵抗、LED、およびスイッチがすべて9Vバッテリーと直列に接続されていることがわかります。 回路を構築すると、スイッチでLEDをオンまたはオフにできます。

グラフィカルな抵抗計算機を使用して、1K抵抗のカラーコードを検索できます。 また、LEDは正しい方法で差し込む必要があることに注意してください(ヒント-長い脚は回路のプラス側に移動します)。

ソリッドコアワイヤをスイッチの各脚にはんだ付けする必要がありました。 それを行う方法については、「はんだ付け方法」の説明をご覧ください。 これが面倒な場合は、スイッチを回路から外してください。

スイッチを使用する場合は、スイッチを開閉して、回路を作成および切断したときに何が起こるかを確認してください。

ステップ18:2番目のサーキット

パーツリスト:
2N3904 PNPトランジスタ
2N3906 NPNトランジスタ
47オーム-1/4ワット抵抗
1Kオーム-1/4ワット抵抗
470Kオーム-1/4ワット抵抗
10uF電解コンデンサ
0.01uFセラミックディスクコンデンサ
5mm赤色LED
3V単三電池ホルダー

オプション:
10Kオーム-1/4ワット抵抗
1Mポテンショメーター

この次の回路図は手ごわいかもしれませんが、実際はかなり簡単です。 これは、LEDを自動的に点滅させるために行ったばかりのすべての部品を使用しています。

汎用のNPNまたはPNPトランジスタは回路に適していますが、自宅で追跡したい場合は、293904(NPN)および2N3906(PNP)トランジスタを使用しています。 データシートを調べてピンのレイアウトを学びました。 データシートをすばやく見つけるための優れた情報源はOctopart.comです。 部品番号を検索するだけで、部品の写真とデータシートへのリンクが見つかります。

たとえば、2N3904トランジスタのデータシートから、ピン1がエミッター、ピン2がベース、ピン3がコレクターであることがすぐにわかりました。

トランジスタは別として、抵抗、コンデンサ、およびLEDはすべて簡単に接続できます。 ただし、回路図には注意が必要です。 トランジスタの近くの半アーチに注目してください。 このアーチは、コンデンサがバッテリからトレースを飛び越え、代わりにPNPトランジスタのベースに接続することを示しています。

また、回路を構築する際には、電解コンデンサとLEDが極性化されており、一方向にのみ機能することを忘れないでください。

回路の構築と電源の接続が完了すると、点滅します。 点滅しない場合は、すべての接続とすべての部品の向きを注意深く確認してください。

回路をすばやくデバッグするためのトリックは、回路図のコンポーネントとブレッドボードのコンポーネントをカウントすることです。 それらが一致しない場合、あなたは何かを省いた。 回路内の特定のポイントに接続するものの数に対して、同じカウントトリックを行うこともできます。

動作したら、470K抵抗の値を変更してみてください。 この抵抗の値を大きくするとLEDの点滅が遅くなり、小さくするとLEDの点滅が速くなることに注意してください。

これは、10uFコンデンサの充放電速度を抵抗が制御しているためです。 これは、LEDの点滅に直接関連しています。

この抵抗器を、10K抵抗器と直列の1Mポテンショメータと交換します。 抵抗器の片側をポテンショメータの外側のピンに接続し、反対側をPNPトランジスタのベースに接続するように配線します。 ポテンショメータのセンターピンはグランドに接続する必要があります。 ノブを回して抵抗をスイープすると、点滅の速度が変わります。

ステップ19:3番目のサーキット

パーツリスト:
555タイマーIC
1Kオーム-1/4ワット抵抗
10Kオーム-1/4ワット抵抗
1Mオーム-1/4ワット抵抗
10uF電解コンデンサ
0.01uFセラミックディスクコンデンサ
小型スピーカー
9Vバッテリーコネクタ

この最後の回路では、555タイマーチップを使用して、スピーカーを使用してノイズを生成しています。

555チップ上のコンポーネントと接続の構成が原因で、ピン3がハイとローの間で急速に振動していることが起こっています。 これらの振動をグラフ化すると、方形波(2つの電力レベルが交互に変化する波)のように見えます。 次に、この波はスピーカーを急速にパルスし、この周波数の安定した音として聞こえるほど高い周波数で空気を置換します。

ピンが誤って接続されないように、555チップがブレッドボードの中心にまたがっていることを確認してください。 それとは別に、単にスケマティックダイアグラムで指定されているように接続を行います。

回路図の「NC」記号にも注意してください。 これは「接続なし」の略で、この回路ではそのピンに何も接続されていないことを意味します。

このページで約555個のチップをすべて読むことができ、このページで追加の555回路図の素晴らしい選択を見ることができます。

スピーカーに関しては、音楽のグリーティングカードの中にあるような小さなスピーカーを使用してください。 この構成では、大きなスピーカーを駆動することはできません。見つけることができるスピーカーが小さいほど、より良い結果が得られます。 ほとんどのスピーカーは極性化されているため、スピーカーのマイナス側がグランドに接続されていることを確認してください(必要な場合)。

さらに一歩進めたい場合は、100Kポテンショメータの1つの外部ピンをピン3に、中央のピンをスピーカーに、残りの外部ピンをグランドに接続することにより、ボリュームノブを作成できます。

ステップ20:自分で

さて...あなたは自分だけではありません。 インターネットには、このようなことを行う方法を知っている人が多く、その方法を学ぶことができるように作業を文書化しています。 前に出て、あなたが作りたいものを探してください。 回路がまだ存在しない場合は、オンラインで同様の何かのドキュメントがある可能性があります。

回路図の検索を開始するのに最適な場所は、Discover Circuitsサイトです。 彼らは実験する楽しい回路の包括的なリストを持っています。

初心者向けの基本的な電子機器に関する追加のアドバイスがある場合は、以下のコメントで共有してください。

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