Vorgaben für die Abiturprüfung 2021
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Ministerium für Abiturvorgaben 2021
Schule und Bildung PbLK Elektrotechnik-Tech
des Landes Nordrhein-Westfalen Stand: 30.06.2020
Vorgaben für die Abiturprüfung 2021
in den Bildungsgängen des Beruflichen Gymnasiums
Anlagen D 1 – D 28
Profil bildendes Leistungskursfach
Elektrotechnik
Fachbereich Technik
Nur für den Dienstgebrauch! Seite 1 von 14Ministerium für Abiturvorgaben 2021 Schule und Bildung PbLK Elektrotechnik-Tech des Landes Nordrhein-Westfalen Stand: 30.06.2020 1 Gültigkeitsbereich Die Vorgaben für die Abiturprüfung im Fach Elektrotechnik gelten für folgenden Bildungsgang: Elektrotechnische Assistentin/AHR APO-BK, Elektrotechnischer Assistent/AHR Anlage D2 Allgemeine Hochschulreife APO-BK, (Elektrotechnik) Anlage D15 Der Bildungsgang ist dem Fachbereich Technik zugeordnet. 2 Vorgaben für die schriftliche Abiturprüfung Grundlage für die Vorgaben der zentral gestellten schriftlichen Aufgaben der Abiturprüfung der (mindestens) dreijährigen AHR-Bildungsgänge des Beruflichen Gymnasiums (APO-BK, Anlagen D 1 – D 28) sind die verbindlichen Vorgaben der Bildungspläne zur Erprobung (RdErl. d. Ministeriums für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen v. 30.6.2006): Teil I: Pädagogische Leitideen, Teil II: Didaktische Organisation der Bildungsgänge im Fachbereich Technik, Teil III: Fachlehrplan Elektrotechnik. Durch die Vorgaben für die schriftliche Abiturprüfung werden inhaltliche Schwerpunkte festgelegt. Diese inhaltlichen Schwerpunkte sind Konkretisierungen der in dem Fachlehrplan beschriebenen Fachinhalte, deren Behandlung im Unterricht als Vorbereitung auf die schriftliche Abiturprüfung vorausgesetzt wird. Durch diese Schwerpunktsetzungen soll sichergestellt werden, dass alle Schülerinnen und Schüler, die im Jahr 2021 das Abitur in den o. a. Bildungsgängen des Beruflichen Gymnasiums ablegen, über die Voraussetzungen zur Bearbeitung der zentral gestellten Aufgaben verfügen. Der Fachlehrplan Elektrotechnik wurde 2013 durch die Ergänzende Handreichung WAKE (Weiterentwicklung der AufgabenKultur in Elektrotechnik) in Hinblick auf die Anforderungen der Abiturprüfung konkretisiert. Das Dokument „Ergänzende Handreichung zum Fachlehrplan Elektrotechnik“ ist vom Schulministerium veröffentlicht unter www.standardsicherung.schulministerium.nrw.de/abitur-bk/. Die Abiturvorgaben haben die Vorschläge von WAKE übernommen. Die folgenden fachspezifischen Schwerpunktsetzungen gelten für das Jahr 2021. Sie stellen keine dauerhaften Festlegungen dar. Nur für den Dienstgebrauch! Seite 2 von 14
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3 Verbindliche Unterrichtsinhalte im Fach
Elektrotechnik im Fachbereich Technik für das
Abitur 2021
3.1 Inhaltliche Schwerpunkte
Gemäß Rd.Erl. d. Ministeriums für Schule und Bildung v. 30.06.2020 –
312.6.04.05-29042 (BASS 13-33 Nr. 8.1) wird dem pandemiebedingten
Distanzlernen Rechnung getragen. Daraus resultiert eine Fokussierung
auf die mit * gekennzeichneten inhaltlichen Schwerpunkte für die
schriftliche Abiturprüfung für das Abitur 2021.
Analoge Schaltungstechnik
Die folgenden Inhalte werden als bekannt vorausgesetzt. Dabei wird davon ausgegangen,
dass die Schülerinnen und Schüler im Umgang mit Datenblättern vertraut sind.
Grundbauelemente
• LDR, VDR, PTC*, NTC
• Relais*
• Diode*, Leuchtdioden*, Photodiode, Brückengleichrichter*, Z-Diode*
• Thyristor (TIC126D), Diac (DB3), Triac (TIC226D)
• Transistoren
o Bipolare Transistoren* (BC548B, BC558B, BD139C, BD140C)
o Unipolare Transistoren (IRFN 150N, IRF9540)
o Fototransistor (BP103)
• Integrierte Bauelemente
o Operationsverstärker* (LM324)
o NE 555*
o Integrierte Spannungsregler* (LM317, 78xx, 79xx)
o Temperatursensoren (KTY 81-110)
o Optokoppler (LTV 825)
Elektronische Grundschaltungen
• Einfache zusammengesetzte Schaltungen aus den Bauelementen*
• Transistor als Schalter*
• Transistor in Emitterschaltung*
• Operationsverstärkerschaltungen* (invertierender und nicht invertierender Verstärker,
Integrator, Differenzierer, Spannungsfolger, Differenzverstärker, Summierverstärker,
Schmitt-Trigger, Komparator, Rechteckoszillator)
• NE555 als Oszillator und Timer*
• Stromkonstantschaltung
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• Spannungskonstantschaltung/Spannungsreglerschaltungen* (mit Z-Diode,
Längstransistor und Festspannungsregler)
Die Aufgabenstellungen können die Analyse, den Entwurf, die Dimensionierung und die
Fehleranalyse beinhalten.
Grundschaltungen der Leistungselektronik
• Phasenanschnittssteuerung
• Gleichrichterschaltungen (B2U/C*, B6U/C, M1, B1)
Gegenstand der Aufgabenstellungen zu den Grundschaltungen der Leistungselektronik ist
die Analyse und die Bewertung.
Elektrische Maschinen und Regelungstechnik
Gegenstand der Prüfungsaufgaben kann die funktions- und sachgerechte Auswahl,
Auslegung und Dimensionierung von elektrischen Maschinen in industrietypischen
Anwendungssituationen sein.
Die folgenden Inhalte werden als bekannt vorausgesetzt. Dabei wird davon ausgegangen,
dass die Schülerinnen und Schüler im Umgang mit Datenblättern und Typenschildern vertraut
sind.
Maschinentypen
• Einphasen-Transformator*
• Schrittmotor
• Drehstromasynchronmotor mit Kurzschlussläufer*
• Gleichstrommotor als Energiewandler*
Eigenschaften und Einsatz elektrischer Maschinen
• Übersetzungsverhältnis und Wirkungsgrad von Transformatoren*
• Hochlauf-/Belastungskennlinien*
• Kenngrößen von Motoren* (Bemessungsstrom, Bemessungsdrehzahl,
Bemessungsleistung, Bemessungsdrehmoment, Wirkungsgrad, Leistungsfaktor,
Bemessungsspannung, Bemessungsfrequenz, Anlaufstrom, Anlaufmoment,
mechanische Leistung)
• Ansteuerung elektrischer Maschinen
o Schützsteuerung* (einfacher Last- und Steuerstromkreis für Ein-/Aus,
Stern/Dreieck, Drehrichtungsänderung)
o Motorschutzschalter
o Motorvollbrücke bei Gleichstrommaschinen z. B.: L298
Gegenstand der Aufgabenstellungen in der Regelungstechnik können die Analyse und die
Synthese von Regelkreisen mit stetigen und unstetigen Reglern sein. Die elektronische
Realisierung der Regeleinrichtung und eventueller Pegelanpassungen erfolgt mit
Operationsverstärkerschaltungen.
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Grundbegriffe
• Vollständiger, einschleifiger Regelkreis*
• Größen der Regelungstechnik*:
Rückführgröße r, Stellgröße y, Regelgröße x, Führungsgröße w,
Reglerausgangsgröße m, Regeldifferenz e und Störgröße z
Regelstrecken:
• Blockdarstellung – Regelstrecke als Übertragungsglied*
• Sprungantwortverhalten*
• Streckenarten* (P-, I-, P-T1, P-T2, P-Tn, P-Tt und P-Tn-Tt)
• Stabilität von Regelkreisen
Regler
• stetige Regler* (P-, D-, I- Regler und Kombinationen aus diesen)
• unstetige Regler (Zwei-, Dreipunktregler)
• Übertragungsverhalten*
• Eignung von Reglertypen für Regelstrecken*
Einstellen von Reglern
• Anregelzeit*
• Ausregelzeit*
• Max. Überschwingweite*
• Einstellregeln nach Ziegler und Nichols*
• Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick*
Digital- und Mikrocontrollertechnik
Gegenstand der Prüfungsaufgaben sind die Analyse und der Entwurf von Schaltnetzen und
Schaltwerken. Es kommen integrierte Schaltelemente aus den TTL-(74xx) und CMOS- (40xx)
Bauteilfamilien zum Einsatz. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Schülerinnen und
Schüler im Umgang mit Datenblättern beider Technologien vertraut sind.
Die folgenden Inhalte werden als bekannt vorausgesetzt.
Grundbausteine
• Digitale Grundbauelemente*: AND, OR, NAND, NOR, XAND, XOR, NOT
• BCD/7-Segment Decoder*
• Bistabile Kippstufen*: RS-FF, JK-FF, D-FF
• 8:1 Multiplexer* (74LS151)
• 1:8 Demultiplexer* (74F138)
• 4-bit synchronous Binary Counter* (74LS190)
• 8-bit Shift Register* (74LS165)
• Analog to digital Converter (ADC 0808)
• Digital to analog Converter (DAC 0808)
• Schmitt-Trigger (74LS14)
• Timer* (NE555)
• Monoflop (74LS123)
• 7-Segmentanzeige*
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Darstellungsformen
• Normdarstellung in IEC- und DIN-Norm*
• Logiktabellen/Wahrheitstabellen*
• Disjunktive-Normalform
• Impuls-/Zeitablaufdiagramme*
• Funktionsgleichungen*
• Logikplan*
• Zahlensysteme* (Dezimal, Hexadezimal, Dual)
Die Aufgabenstellungen in der Mikrocontrollertechnik beziehen sich auf ein Minimalsystem aus
der 8051-Familie (siehe Seite 8).
Die Erzeugung und Auswertung digitaler und analoger Signale erfolgt über I/O-Ports. Bei
byteadressierbaren SFR sind geeignete Maskiertechniken anzuwenden.
Die Aufgabenstellungen beziehen sich auf die Planung (z. B. mit PAP), Erweiterung und
Analyse (z. B. Fehleranalyse, Kommentierung) von modularen Mikrocontroller-Programmen.
Die Programmierung erfolgt in C. Eigene Bibliotheken sind nicht zu erstellen. Die Anbindung
der Peripherie ist zu berücksichtigen.
Hardware des Mikrocontrollers
• Grundsätzliche Bestandteile eines Mikrocontrollers* (CPU, Programm- und
Datenspeicher, Takterzeugung)
• Datenblatt – Blockschaltbilder von Funktionseinheiten des Mikrocontrollers*
An das in der Prüfung verwendete Mikrocontrollersystem aus der 8051-Familie werden
bestimmte Mindestanforderungen gestellt. Eigenschaften des Minimalsystems (siehe auch
Seite 7):
• 2 digitale, 8-Bit breite I/O-Ports, byte- oder bitadressierbar*
• AD-Umsetzer mit mindestens 8-Bit Auflösung im Bereich von 0-5 V*
• 2 unabhängige, interruptfähige 16-Bit Timer/Counter,
mindestens 1 Counter mit externem Zähleingang.*
• 1 externer Interrupt*
Einfache Grundschaltungen mit µC
Eingabe
• Schalter/Taster*
• Potentiometer
• Analoge Signalgeber*
Ausgabe
• LED- und 7-Segment-Anzeigen*
• Relais*
• Summer
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• DC-Motoren
• Transistor als Schalter*
Programmierung der Mikrocontroller in der Programmiersprache „C“
• Grundsätzlicher Aufbau eines C-Programms*
• Erstellen von Kommentaren*
• Deklaration und Initialisierung von einfachen Variablen*
• Anwenden von Rechenoperatoren* (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und
Modulo)
• Bitoperationen* (UND, ODER, Exklusiv ODER, Negation, Bitverschiebung und
Maskierung)
• Logikfunktionen* (UND, ODER, NICHT)
• Vergleichsoperatoren* (größer, kleiner und gleich)
• Verzweigungen, Fallunterscheidungen und Schleifen*
• Umgang mit Funktionen*
o Funktionsprototypen
o Aufruf von Funktionen mit Parameterübergabe und Rückgabewert
• String/Array* (eindimensionale Felder)
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Minimale Hardwareanforderung:
8 Bit Register (SFR)
Port 1
Byteadresse 90H
P1
Bitadresse 97H 96H 95H 94H 93H 92H 91H 90H
Bitnamen P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10
Port 3
Byteadresse B0H
P3
Bitadresse B7H B6H B5H B4H B3H B2H B1H B0H
Bitnamen P37 P36 P35 P34 P33 P32 P31 P30
AD – Umsetzer
Ergebnisregister
ADDAT
Byteadresse D9H
Wandlerbereich und -start
DAPR
Byteadresse DAH
Modusregister 1)
Bitadresse DFH DEH DDH DCH DBH DAH D9H D8H ADCON
2) 2) ADEX BSY ADM MX2 MX1 MX0
Bitnamen X X
Interrupt
Interrupt Enable Register
Bitadresse AFH AEH ADH ACH ABH AAH A9H A8H
IE
Bitnamen EA X 2) X 2) X 2) ET1 X 2) ET0 EX0
Timer / Counter 0 und 1
Modusregister
Byteadresse 89H
Bitnamen
TMOD
Gate C/T M1 M0 Gate C/T M1 M0
Timer 1 Timer 0
Conditionregister 1)
Bitadresse 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H TCON
TF1 TR1 TF0 TR0 2) 2) 2) 2)
Bitnamen X X X X
16 Bit Register (SFR16)
Timer 0
Byteadresse 8CH 8AH TH0 TL0
Highbyte Lowbyte
Timer 1
Byteadresse 8DH 8BH TH1 TL1
Highbyte Lowbyte
1)
Bitadressierbare SFR
2)
Die mit "X" markierten Bits werden in den Aufgaben nicht verwendet.
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3.2 Medien/Materialien
keine
3.3 Formale Hinweise
Die Prüfung erfolgt in schriftlicher Form. Der Einsatz von Experimentierhilfsmittel ist
nicht zugelassen.
3.4 Hinweise zu den Aufgabenstellungen
In der Ergänzenden Handreichung WAKE (Kapitel 3) sind acht Fachmethoden
definiert, von denen sechs Eingang in die Abiturvorgaben gefunden haben:
Schaltungsanalyse, Schaltungsentwurf, Dimensionieren, Programmentwurf,
Programmanalyse und Arbeiten mit Diagrammen.
Jede dieser Fachmethoden wird durch ein Regelwerk beschrieben (s. WAKE,
Kapitel 3), das bei Anwendung der jeweiligen Fachmethode vollständig angewendet
wird. In der Prüfung wird die verlangte Anwendung einer Fachmethode durch
Verwendung eines entsprechenden Operators (vgl. Operatorenliste) kenntlich
gemacht. Bei der Fachmethode „Arbeiten mit Diagrammen“ werden sämtliche Arbeiten
mit grafischen Darstellungen in Diagrammen zusammengefasst. Die Fachmethode
besitzt deshalb keinen eigenständigen Operator.
Die Aufgaben in den zentral gestellten Prüfungen werden mit Hilfe von Operatoren
formuliert.
In der folgenden Tabelle werden die Operatoren definiert, durch Beispiele
dokumentiert und den Anforderungsbereichen (AFB I, II und III) zugeordnet. Die
konkrete Zuordnung erfolgt immer im Kontext der Aufgabenstellung, wobei eine
eindeutige Trennung der Anforderungsbereiche nicht immer möglich ist.
Spätestens in der Qualifikationsphase sollen die Operatoren in den Klausuren und
schriftlichen Übungen verwendet werden, um die Schülerinnen und Schüler auf die
Abiturprüfung vorzubereiten.
Operator AFB Definition Beispiel
eintragen I Werte und Größen in Tragen Sie die Messwerte in
eine vorgegebene die Tabelle ein.
Darstellungsform
eintragen
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Operator AFB Definition Beispiel
markieren/ I ohne weitere Markieren Sie den Stern-
kennzeichnen Erläuterung Dreieck-Umschaltpunkt
kennzeichnen durch ein farbiges Kreuz in
der Hochlaufkennlinie.
nennen/ I ohne weitere Nennen Sie zwei typische
benennen Erläuterung Anlassverfahren.
aufzählen Benennen Sie die
verschiedenen Komponenten
eines Regelkreises.
berechnen I, II Ergebnisse von Berechnen Sie den
einem Ansatz Anlaufstrom.
ausgehend durch
Rechen-operationen
gewinnen
beschreiben I, II Sachverhalte oder Beschreiben Sie die
Zusammenhänge Auswirkungen des Fehlers
strukturiert und einer Leiterunterbrechung
fachsprachlich mit zwischen dem Emitter des
eigenen Worten Transistors und Masse.
verständlich
wiedergeben
darstellen I, II Sachverhalte oder Stellen Sie die Methode des
Zusammenhänge Programmentwurfs dar.
strukturiert und mit
graphischen Mitteln
wiedergeben
ermitteln/ I, II einen Zusammen- Ermitteln Sie den maximal
bestimmen hang oder eine zulässigen Laststrom.
Lösung finden und
das Ergebnis
formulieren
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Operator AFB Definition Beispiel
ordnen/ I, II Äquivalenz zwischen Ordnen Sie den
zuordnen verschiedenen verschiedenen Blöcken die
Darstellungsformen Bauelemente der Schaltung
eines technischen zu.
Sachverhaltes
angeben
skizzieren I, II die qualitativen Skizzieren Sie die
Eigenschaften eines Sprungantwort des PI-
Objektes oder Reglers.
Sachverhaltes
graphisch darstellen
(auch Freihandskizze
möglich)
zeichnen I, II einen technischen Zeichnen Sie in das
Sachverhalt unter vorgegebene Diagramm die
Beachtung der Ladekurve des Kondensators
relevanten Größen- von 0 bis 10 s ein.
ordnung unter
Einhaltung von
Normen darstellen
erörtern II einen eigenen Erörtern Sie den Einsatz
Standpunkt dieses Bauteils unter
argumentativ wirtschaftlichen und
darlegen technologischen
Gesichtspunkten.
realisieren II einen technischen Realisieren Sie unter
Sachverhalt unter Verwendung der
Einhaltung einer angegebenen Bauelemente
techn. Vorgabe und Grundschaltungen eine
erfüllen. Schaltung, die die
angegebene
Stromessfunktion erfüllt.
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Operator AFB Definition Beispiel
analysieren von II, III Systematische und Analysieren Sie die
Schaltungen nachvollziehbare Schaltung des astabilen
Beschreibung der Multivibrators.
(elektrotechnische
Funktionsstruktur
Methode nach
einer Schaltung
WAKE)
analysieren von II, III Systematische und Analysieren Sie das im
Programmen nachvollziehbare Listing angegebene
Beschreibung der Programm.
(elektrotechnische
Ablaufstruktur eines
Methode nach
Programmes
WAKE)
auswerten II, III Datenblattinformation Werten Sie die Datenblätter
, Technische und die gegebenen
Informationen, Messwerte hinsichtlich
Messergebnisse, Dimensionierung der
Einzelergebnisse in Schaltung in Abb.1 aus.
einen Zusammen-
hang stellen und
gegebenenfalls zu
einer
Gesamtaussage
zusammenführen
begründen II, III Sachverhalte auf Begründen Sie, warum bei
Regeln und dieser Schaltung eine
Gesetzmäßigkeiten Mikrocontrollerschaltung
zurückführen nicht sinnvoll eingesetzt
werden kann.
beurteilen/ II, III zu einem Sachverhalt Beurteilen Sie, ob das
bewerten ein selbstständiges eingesetzte Netzteil die
Urteil unter Anforderungen an die
Verwendung von Spannungsversorgung erfüllt.
Fachwissen und
Fachmethoden
formulieren
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Operator AFB Definition Beispiel
dimensionieren II, III systematische und Dimensionieren Sie die
nachvollziehbare Bauelemente des PID-
(elektrotechnische
Vorgehensweise bei Reglers.
Methode nach
der Auslegung und
WAKE)
Bestimmung der
Bauelemente einer
Schaltung
erläutern/ II, III einen Sachverhalt so Erläutern Sie die
erklären darlegen, dass er Notwendigkeit des
verständlich wird Anlaufverfahrens.
erstellen II, III Sachverhalte oder Erstellen Sie das u(t)-
Werte in Diagramm.
vorgegebener Form Erstellen Sie die
angeben Zuordnungstabelle für das
Programm.
nachweisen II, III einen Sachverhalt Weisen Sie nach, dass mit
oder eine Aussage den angegebenen
durch Berechnung, Reglerkenndaten die
(mathematischer) geforderten
Herleitung und Stabilitätskriterien für die
logischer Regelung des
Begründung Wasserstandes erfüllt
nachvollziehbar werden.
bestätigen
prüfen/ II, III Sachverhalte oder Überprüfen Sie die
überprüfen Aussagen an Fakten Dimensionierung der
oder innerer Logik Schaltung hinsichtlich der
messen oder Strombelastung der
eventuelle Wider- verwendeten Bauelemente.
sprüche aufdecken
vergleichen II, III Unterschiede und Vergleichen Sie die beiden
Gemeinsamkeiten Anlassverfahren hinsichtlich
von Sachverhalten des Drehmomentverhaltens
gewichtend einander des Motors.
gegenüberstellen
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Operator AFB Definition Beispiel
entwerfen einer III schrittweiser Entwurf Entwerfen Sie die Schaltung
Schaltung einer Schaltung zu für das 5V-Netzteil.
(elektrotechnische einer
Methode nach dimensionierungs-
WAKE) fähigen Schaltung
entwerfen eines III systematische und Entwerfen Sie für den
Programms nachvollziehbare Taschenrechner das
(elektrotechnische Beschreibung der Unterprogramm „Addieren“.
Methode nach Ablaufstruktur eines
WAKE) Programms
4 Bearbeitungszeit für die schriftliche Abiturprüfung
Es gelten die Vorgaben der APO-BK, § 17 (2) Anlage D.
Die Bearbeitungszeit beträgt 270 Minuten.
5 Hilfsmittel
• Elektrotechnisches Tabellenbuch (zur Auswahl):
o Friedrich Tabellenbuch Elektrotechnik/Elektronik;
Bildungsverlag EINS
o Tabellenbuch Elektrotechnik;
Verlag Europa-Lehrmittel
o Elektrotechnik;
Verlag Handwerk + Technik GmbH
o Elektronik Tabellen. Betriebs- und Automatisierungstechnik;
Westermann Schulbuchverlag.
o vergleichbare Tabellenbücher der Elektrotechnik
• Graphikfähiger Taschenrechner (GTR) oder Computeralgebrasystem (CAS)
6 Hinweise zur Aufgabenauswahl durch die Lehrkraft/
den Prüfling
Eine Aufgabenauswahl durch die Schule ist nicht vorgesehen.
Eine Aufgabenauswahl durch den Prüfling ist ebenfalls nicht vorgesehen.
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