Estabilizadores de tensión con diodos zener

Artículos teóricos

Los diodos han invadido casi todas las ramas y facetas de la electrónica. Pero eso no acaba ahí. A dia de hoy, rara es la persona que no ha oido hablar del diodo, a pesar de que no todos saben lo que es en realidad y como funciona. Esto quizás se deba a la "invasión" de los diodos LED a casi todos los niveles.

Sin embargo, hoy no vamos a hablarte de este tipo de diodo sino de otro quizás menos conocido denominado diodo "zener".

El diodo zener se usa casi de forma sistemática en la mayoría de las fuentes de alimentación que incorporan los dispositivos electrónicos actuales y como componente integrado en chips reguladores de tensión.

Gracias a él podemos conseguir una tensión estable, a pesar de que por diferentes causas dicha tensión pueda ver alterado su valor, y usarla para alimentar circuitos electrónicos sensibles, o como referencia para conseguir fuentes de tensión estabilizada capaces de alimentar equipos de alto consumo.

Hoy vamos a enseñarte a usar el diodo zener en la situación más sencilla posible y a la vez más típica, o sea, como estabilizador de tensión con resistencia limitadora. No te preocupes que no será dificil.

En este artículo no vamos a hablarte de la física interna del diodo zener; eso quizás lo haremos en otro momento. Tampoco queremos agobiarte presentándote una considerable cantidad de complejos gráficos que el lector medio no es capaz de absorber. Pero eso si, para que puedas comprender lo que se cuece tendremos que usar un mínimo de fórmulas matemáticas, el estrictamente necesario para que puedas asimilar lo que vamos a contarte.

Lo que si queremos que sepas es que el zener polarizado en sentido directo se comporta como cualquier otro diodo, pero si se polariza en sentido inverso la cosa cambia.

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Si partiendo de cero voltios vamos aumentando lentamente la tensión inversa aplicada al zener comprobamos que en principio, al igual que un diodo cualquiera, no conduce

Sin embargo, llegado un determinado valor de dicha tensión inversa, el zener de pronto se vuelve conductor de manera brusca y casi instantánea. A este valor concreto de la tensión inversa en la que el zener comienza a volverse conductor se le conoce como "tensión de ruptura".

En un diodo rectificador de los considerados "estándar" esto provocaría su destrucción inmediata. Sin embargo, debido al alto nivel de dopado al que ha sido sometido el zener y controlando la intensidad de corriente a su través por medio de una resistencia, el zener no se estropea y además mantiene la "tensión de ruptura" casi completamente estable en sus extremos a lo largo de más o menos un amplio margen de su corriente inversa. Mira el siguiente video.

Esta estabilidad de la tensión inversa de ruptura, o tensión zener, es la que aprovechamos para alimentar determinados circuitos suceptibles a las variaciones de la tensión con que se les alimenta.

Vamos a partir del clásico esquema que seguro que habréis visto en alguna ocasión, ya que son muchos los sitios web donde se expone. Lo representamos a continuación. En este caso, la "tensión de entrada" se aplica al circuito por medio de una batería a la que hemos denominado "BAT".

Estabilizador con zener y resistencia limitadora

En la práctica, lo que vamos a necesitar CALCULAR a la hora de usar un circuito de este tipo son TRES DATOS fundamentales. Conociendo el primero de ellos los otros dos serán "pan comido". Son los siguientes:

1. El valor de la resistencia "R", la cual actúa limitando la intensidad de corriente a través del zener para evitar su destrucción.

2. La potencia que ha de disipar esta resistencia limitadora.

3. La potencia que vamos a necesitar que disipe el propio diodo zener.

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La verdad es que el cálculo de estos datos puede hacerse de forma muy completa mediante el uso de complicadas y largas ecuaciones matemáticas, tal y como puede comprobarse con solo hacer una búsqueda en Google. Sin embargo, y como te dijimos al principio, nosotros queremos ponértelo fácil, aunque no vamos a tener más remedio que utilizar un poco de matemática básica.

Algo que debes tener en cuenta a la hora de ponerte manos a la obra con este o con cualquier otro montaje es que el cálculo y diseño de circuitos electrónicos no es una ciencia exacta. Siempre se trabaja con "aproximaciones" entre otras razones por la tolerancia con que son fabricados los componentes electrónicos. Así que... ¡Vamos allá!.

COMO FUNCIONA EL CIRCUITO
Aunque antes hemos dejado entrever que vamos a hacer fácil la lectura de este texto, eso no significa que puedas entender lo que vamos a transmitirte con solo leer unas pocas lineas de este artículo. Es probable que necesites poner a trabajar un poco a las neuronas de tu cerebro, pero tranquilo; te iremos guiando durante todo el proceso para que no te pierdas en ningún momento.

En principio, vamos a explicar a grandes rasgos y de la forma más sencilla posible como funciona este circuito. Fijate en la siguiente imagen y luego sigue leyendo.

Zener y resistencia limitadora en funcionamiento

Lo primero que se nos viene a la vista es que en el circuito coexisten tres intensidades de corrientes distintas. Estas las hemos nombrado como IR (la que circula por la resistencia limitadora), IZ (la que circula por el diodo zener) e IC (la que circula por la carga que queremos alimentar).

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Si te fijas, la corriente principal IR cuando llega al punto A se divide en dos, dando origen a las corrientes IZ por el zener e IC por la carga. Eso significa que IR es la suma de IZ + IC. De hecho, cuando IZ e IC llegan al punto B se suman y vuelven a formar la corriente IR original que regresa a la batería. Graba en tu mente la siguiente fórmula (es muy sencilla).

Formula de la intensidad de corriente por R

En el esquema representado arriba hemos usado una batería para aplicarle al circuito la llamada "tensión de entrada". Esto no siempre es así. En ocasiones lo que usamos para generar dicha tensión es un transformador conectado a la red eléctrica, junto con un rectificador y su circuito de filtro.

Fuente con rectificador de media onda

Tanto en un caso como en el otro, existen dos motivos por los que la tensión aplicada a la carga puede fluctuar.

1. Que la propia tensión de entrada fluctue.

En el caso del transformador porque la estabilidad de la tensión de la red brilla por su ausencia ya que suele oscilar bastante arriba y abajo de su valor nominal, y esto afecta a la tensión continua rectificada y filtrada. En el caso de la batería porque su tensión baja lentamente conforme esta se agota.

2. Que la carga, durante su funcionamiento normal, exija consumos dispares.

Tanto la batería como el transformador tienen una resistencia interna que con un mayor consumo provoca una mayor caida de tensión. En el caso del transformador esta circunstancia es mas acusada. En el caso de la batería esto se nota más cuando se va agotando, ya que dicha resistencia interna aumenta conforme se va consumiendo la energía que almacena.

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Vamos a ilustrar lo que ocurre en este circuito en los dos casos anteriores. Si me permites la comparación, aquí el diodo zener se comporta como una madre la cual tiene que alimentar a su único hijo (la carga) en tiempo de escasez de alimento (la intensidad de corriente por R). Cuando al hogar llega comida para los dos, la madre le da la ración completa a su hijo y ella también come lo necesario. Pero...

1. Cuando la tensión a la entrada disminuye y el alimento escasea (baja por lo tanto también la intensidad de corriente que circula por R), la madre sigue dándole la ración completa a su hijo y ella come lo que ha sobrado. Esa madre no permite que su hijo coma menos de lo que necesita a expensas de reducir su propia ración si es necesario.

Madre e hijo

2. Cuando la carga consuma menos corriente, aunque haya alimento suficiente, significa que el hijo en ese momento está desganado y no le apetece comerse su ración completa. Entonces es la madre la que se aprovecha de esta situación y se come casi toda la comida incluyendo la que el hijo no ha querido consumir.

En cuanto a este segundo punto debes entender que, si dispusiéramos de un circuito perfecto con componentes ideales, y suponiendo que a la entrada tuviéramos una tensión FIJA y ESTABLE, la intensidad de corriente que circula por R será invariable consuma la carga lo que consuma, ya que lo que no se coma el hijo se lo comerá la madre y viceversa.

Madre e hijo

Salvando las lógicas diferencias, eso es lo que sucede en las entrañas de este circuito. El zener "auto-regula" la intensidad de corriente que circula a través de él mismo para que a la carga no le falte la corriente que requiere para su correcto funcionamiento. Esto se consigue gracias a que la tensión en bornes del diodo se mantiene casi constante a lo largo de un determinado margen de valores de la corriente que circula a su través, tal y como hemos explicado antes.

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Tecnicamente estamos ante un regulador de tensión "en paralelo" ya que el zener, que es el que controla todo el proceso, se halla en paralelo con la carga. En otro artículo hablaremos de los reguladores de tensión en serie los cuales son más eficientes.

Por lo tanto, después de haber entendido a la perfección los dos puntos anteriores, para comenzar el cálculo de R (la resistencia limitadora) debemos de tener en cuenta tres parámetros fundamentales:

1. El consumo máximo y el consumo mínimo de la carga, ya que dependiendo del tipo de dispositivo que conectemos a la salida, dicho consumo puede oscilar entre dos valores muy concretos.

2. La tensión máxima y la tensión mínima que vamos a aplicar a la entrada del circuito, ya que por las razones comentadas esta tensión puede fluctuar alrededor de un determinado valor.

3. La "intensidad de corriente inversa mínima" a partir de la cual el zener comienza a estabilizar la tensión. ¡Esto es nuevo!... ¿A que no te lo esperabas?. Te explicamos ahora mismo de que se trata.

¿Recuerdas que antes te hemos dicho que partiendo de cero voltios, si vamos aumentando lentamente la tensión inversa aplicada al zener llega un momento en que este se vuelve conductor?... ¡Pues nos referimos a la intensidad que circula a su través justo en ese momento!. ¿Lo tienes claro?... La intensidad de corriente inversa mínima es la que circula a través del zener justo en el momento en que este se vuelve conductor.

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A esta corriente se le suele llamar "corriente inversa de codo" ya que se da justo en el "codo" de su curva característica inversa, que dicho sea de paso gira en ese momento casi 90 grados. Justamente en ese punto el zener comienza a estabilizar la tensión. Con una intensidad de corriente menor el zener no estabiliza. ¡Ojo con esto!.

Normalmente el valor de esta corriente está entre 0,5 y 1,0 miliamperios. Muchas hojas de características de estos dispositivos semiconductores (datasheet) denominan a esta corriente como "IZK". Es probable que la siguiente figura te ayude a asimilar lo que acabamos de explicarte.

Curva caracteristica de un diodo zener

Una vez que tengamos claro estos datos podremos razonar para obtener los valores que buscamos. Recapitulemos y veamos cuales son los datos que tenemos para empezar a calcular.

1. Tensión máxima y mínima de entrada (Estos valores dependerán de la fuente de energía que usemos).

2. Intensidades de corriente máxima y mínima requeridas por la carga (Depende del dispositivo que usemos como carga).

3. Tensión que queremos obtener a la salida (Será la tensión nominal del zener).

4. Corriente mínima requerida para que el zener comience a estabilizar la tensión (Está entre 0,5 y 1,0 mA pero por seguridad nosotros vamos a usar valores un poco mayores).

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FÓRMULA PARA HALLAR EL VALOR DE "R"
Como ya hemos comentado arriba, en un hipotético circuito ideal la corriente a través de R no fluctuará, si la tensión de entrada es fija y estable, consuma la carga lo que consuma ya que, según lo que hemos explicado con la ilustración de la madre y el hijo, lo que NO consuma el hijo (la carga) lo consumirá la madre (el zener) y viceversa.

O sea que, en caso de que la carga NO consuma NADA entonces el zener lo consumirá TODO. En caso de que la carga exija su CONSUMO MÁXIMO entonces a través del zener circulará una CORRIENTE MÍNIMA (hemos hablado antes de ella ¿recuerdas?). No obstante, en todo caso y en cualquier momento la suma de esas dos intensidades de corriente sería identica, insistimos, suponiendo un circuito ideal y siempre que la tensión de entrada NO VARÍE.

Para calcular correctamente el valor de la resistencia limitadora debemos considerar que estamos en la última situación (carga con su CONSUMO MÁXIMO y zener con CORRIENTE MÍNIMA), y además suponiendo que la tensión de entrada está en su valor MÁS BAJO. De este modo la corriente a través del diodo NUNCA SEA INFERIOR a su VALOR MÍNIMO y regulará adecuadamente en cualquier circunstancia.

Usaremos la ley de Ohm, es decir:

Ley de Ohm para la resistencia

No hace falta ser muy avispado para saber que la tensión en bornes de R será igual a la tensión de entrada (hemos dicho que será la mínima que pueda entregar la fuente o la batería) menos la que hay en el zener (un buen dia hablaremos de las leyes de Kirchhoff... ahora no es el momento). O sea

Fórmula de la tensión en R

Quizás la siguiente ilustración te ayude a entender lo que acabamos de decir. Obsérvala con detenimiento y piensa un poco. Tus neuronas te lo agradecerán.

Distribución de tensiones en un regulador zener paralelo

Ya hemos dicho que la intensidad de corriente a través de R es IR = IZ + IC y como a la situación en la que estamos inmersos le corresponde una CORRIENTE MÍNIMA POR EL ZENER y una CORRIENTE MÁXIMA POR LA CARGA tenemos lo siguiente

Fórmula de la corriente por R

Por lo tanto, la fórmula para hallar el valor de la resistencia limitadora, de acuerdo con la ley de Ohm, será

Fórmula del valor de R

Como ya hemos comentado, la corriente mínima a través del zener nunca deberá ser inferior a la indicada por el fabricante, la cual para los diodos zener habituales se sitúa entre 0,5 y 1,0 mA. Pero ocurre que si nos aproximamos a ella el diodo no trabajará correctamente ya que se concentra en el mismo codo de la curva y en esa zona la llamada "resistencia dinámica" del zener es muy elevada (no te calientes ahora la cabeza para intentar saber que es esto, no te preocupes).

Además, para tener la seguridad que el diodo va a realizar su trabajo a la perfección, sin darle margen al error, nosotros usaremos para realizar los cálculos una intensidad mínima por el zener de 5 mA y en determinadas ocasiones (zener de alta potencia) subiremos incluso a 10 mA.

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Una vez que tengamos el valor de R solo nos queda calcular las potencias de disipación necesarias para ella misma y para el diodo zener. Vamos primero con la resistencia.

¿Recuerdas cual es la fórmula para calcular la potencia en base a los datos de la tensión y la intensidad de corriente disponibles?. Te refrescamos la memoria.

Fórmula general para calcular la potencia

Para el cálculo de la potencia que ha de ser capaz de disipar R tenemos que usar la tensión máxima que pueda aplicarse a la entrada. La tensión máxima que soportará R será la máxima que se alcance a la entrada menos la nominal del zener.

Tensión máxima en R

Y la corriente máxima que circulará por ella la hallaremos dividiendo el resultado anterior (VRMAX) entre el valor que ya sabemos que tendrá R.

Intensidad de corriente máxima por R

La potencia de disipación necesaria en la resistencia la calcularemos entonces multiplicando su caida de tensión máxima por la intensidad de corriente máxima que la atraviese, o sea

Potencia de disipación en R

Ahora toca calcular la potencia necesaria para el diodo zener. Aquí existen dos vertientes. Podemos calcular este dato bajo el supuesto de que la carga NUNCA será desconectada de su alimentación o calcularla previendo que SI podría desconectarse en algún momento. Tratamos antes el primer caso.

Si estamos seguros que la carga nunca será desconectada, la intensidad máxima que soportará el zener será la que hemos calculado antes para la resistencia (IRMAX) menos la intensidad de corriente mínima que exigirá la carga en su funcionamiento normal

Corriente máxima por el zener sin desconectar la carga

La potencia necesaria en el zener será entonces el resultado de multiplicar su tensión nominal por la intensidad máxima que lo atraviesa SIN desconectar la carga

Potencia necesaria en el zener SIN desconectar la carga

Pero si sospechamos que existe la posibilidad de que la carga puede ser desconectada, la intensidad máxima que tendrá que soportar el zener será mayor, y su valor será justamente el máximo que podrá circular por la resistencia limitadora, o sea IRMAX

Corriente máxima por el zener desconectando la carga

La potencia que tendrá que disipar entonces el diodo zener CON la posibilidad de desconexión de la carga será

Potencia necesaria en el zener desconectando la carga

Ya tenemos todo lo que necesitamos. Ahora toca ponernos a trabajar con números en un caso real.

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UN EJEMPLO
Vamos a ejemplificar un circuito para mostrarte como hacer los cálculos y obtener los valores de los componentes según todo lo que hemos desarrollado hasta ahora. Fijate en la siguiente imagen.

Circuito estabilizador zener de ejemplo

Se trata de una pequeña fuente de alimentación conectada a la red de distribución eléctrica, la cual en su condensador de filtro dispone de una tensión de 12V. Considerando las fluctuaciones que puede haber por las causas que ya hemos comentado, vamos a suponer que dicha tensión puede adquirir valores entre un mínimo de 11V y un máximo de 13V. El zener tiene una tensión nominal de 5,1V y la carga consume entre 30mA y 50mA.

Calculamos primero el valor de la tensión que caerá en R con el mínimo voltaje de entrada. Si haces clic en las imagenes verás las fórmulas que hemos utilizado.

Valor de la caida de tensión en R

Ahora calculamos la intensidad de corriente que circulará por R suponiendo un consumo máximo de la carga y la corriente mínima a través del zener. Estas cantidades han de estar expresadas en amperios.

Valor de la corriente a través de R

Una vez que tenemos estos dos datos calcularemos el valor de R.

Valor de R

A continuación, para calcular la potencia de disipación necesaria de R, tendremos que averiguar cual será la caida de tensión máxima que sufrirá.

Caida de tensión máxima en R

Y también que intensidad de corriente máxima la atravesará en amperios.

Intensidad de corriente máxima por R

Con los dos datos anteriores ya podemos calcular la potencia máxima que disipará R en watios.

Potencia máxima que disipará R

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Ya solo nos falta calcular la potencia necesaria en el zener. ¡Vamos allá!. Primero vamos a suponer que la carga NUNCA se desconectará del circuito. En este caso la corriente máxima que lo atravesará será de

Corriente máxima por el zener sin desconectar la carga

Si ahora multiplicamos la cantidad anterior por la tensión nominal del zener, obtendremos la potencia necesaria para que no se estropee siempre que la carga NO se desconecte.

Potencia necesaria en el zener SIN desconectar la carga

Por último, calcularemos la potencia del zener si sospechamos que la carga SI será desconectada en algún momento con el circuito funcionando. Como ya sabemos que intensidad máxima podrá atravesarlo en este caso (IRMAX), su potencia habrá de ser de

Potencia necesaria en el zener desconectando la carga

Con esto ya tenemos todos los valores necesarios para implementar el circuito, el cual quedaría de la siguiente manera dimensionando los componentes de forma adecuada para que no tengamos problemas de sobrecalentamiento y averias futuras.

Circuito estabilizador zener con valores calculados

A la hora de elegir la resistencia ten en cuenta que casi nunca encontrarás justo el valor calculado. Has de colocar el valor más cercano por debajo, aproximándote todo lo posible al resultado obtenido, para que la corriente por el zener nunca caiga por debajo de la mínima calculada. Por ejemplo, en nuestro caso no existe un valor estandar de 107 Ohmios para la resistencia, así que no tendremos más remedio que usar una de 100 Ohmios.

Esto aumentará un poco la corriente máxima soportada por R y como consecuencia deberemos de elevar también un poco la potencia del zener. En este caso será mejor usar un zener de 1W.

Te dejamos un video con los detalles del circuito que acabamos de calcular. Seguro que podrás aclararte mejor si le echas un vistazo.

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No obstante... ¿recuerdas que te dijimos al principio que te lo pondríamos muy fácil?... ¡No solemos olvidar aquello que prometemos!. Por eso, en la zona de descargas te hemos dejado un calculador mediante el cual podrás conocer todos los valores necesarios del circuito sin necesidad de hacer una sola suma.

Calculador de valores de estabilizador zener paralelo

Esperamos que todo el trabajo que hemos realizado te sirva de ayuda para conocer más a fondo como funcionan los circuitos electrónicos, y en particular el estabilizador paralelo con zener y resistencia limitadora.

No olvides que tus comentarios son muy valiosos para nosotros. Nos sirven de estímulo para continuar trabajando.

Muchas gracias por visitarnos.

 
C O M E N T A R I O S   
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tutoriales mosfet

#6 Mario R Blanco Garcia » 24-09-2017 11:57

Lo felicito es muy didactico.
Dispone de tutoriales acerca de Transistores Mosfet?
Gracias

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RE: Ultima versión Mac del programa de resistencia zener

#5 Administrador » 23-08-2017 12:14

Cito a Juan Carlos López Duque:
Buenos días a todos.
He enviado por correo electrónico la versión Mac del programa para cálculo de la resistencia zener.
Por supuesto, el proyecto en XCode está disponible para todo aquel que lo quiera.
Un cordial saludo.
JuanC++


Disponible ya en la sección de descargas:

radioelectronica.es/.../154-software-electronica

Muchas gracias por tu apoyo Juan Carlos. Un abrazo,

Jose.

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Ultima versión Mac del programa de resistencia zener

#4 Juan Carlos López Duque » 23-08-2017 12:07

Buenos días a todos.
He enviado por correo electrónico la versión Mac del programa para cálculo de la resistencia zener.
Por supuesto, el proyecto en XCode está disponible para todo aquel que lo quiera.
Un cordial saludo.
JuanC++

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RE: Estabilizadores de tensión con diodos zener

#3 nelson rivero » 17-08-2017 22:40

me parece muy interesante y muy bien explicado . de ante mano te doy las gracias por tu tiempo y espero que sigas colocando mas videos de electricidad y electronica

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Que maravilla de video

#2 Juan Carlos López Duque » 17-08-2017 09:49

Bueno, D. Jose, que maravilla de video que has colocado. Las versiones previas estaban bien, pero los 23 minutos del video final son otra cosa. Sin discusión tienen calidad comercial. Pienso que ni los videos de electrónica de la Politécnica de Valencia te llegan a la suela de tus zapatos. Pueden utilizarse, sin ningún pero, en escuelas profesionales y universidades de todo el mundo. Entiendo, por otra parte, que lo dificil no es hacer una bicicleta, lo dificil es venderla.
Por otra parte y como por estos lares no parece que exista ningún usuario de Mac, te envío por correo electrónico una versión para Mac de la calculadora Zener y una captura de pantalla del aspecto que tiene. Si ves alguna cosa que no esté bien me lo dices. Si consideras adecuado puedes dejarla en la carpeta Mac de las descargas.
También te dejo algo de pasta, para que invites a la parienta a cualquier cosa.
Un fuerte abrazo.
JC

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Magnifico tutorial sobre los zener

#1 Juan Carlos López Duque » 01-08-2017 21:21

Desde luego, D. Jose, sus artículos teóricos no me los pierdo nunca. Son de lo mejor que hay, espero más sobre los fundamentos del zener (como ha prometido).
Último detalle, puedes dejarme el circuito que aparece en el video para ver su funcionamiento ().
Un cordial saludo.

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Muchas gracias de antemano por tu colaboración.

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