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JP2005063820A - 放電灯点灯回路 - Google Patents

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JP2005063820A JP2003292713A JP2003292713A JP2005063820A JP 2005063820 A JP2005063820 A JP 2005063820A JP 2003292713 A JP2003292713 A JP 2003292713A JP 2003292713 A JP2003292713 A JP 2003292713A JP 2005063820 A JP2005063820 A JP 2005063820A
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lamp lighting
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Takao Muramatsu
隆雄 村松
Masayasu Ito
昌康 伊藤
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Koito Manufacturing Co Ltd
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Abstract

【課題】 直流−交流変換回路が交流変換及び昇圧(起動用信号の昇圧を含む。)の機能をもち、高周波化に適した回路構成を有するとともに、小型で安価な放電灯点灯回路の提供する。
【解決手段】 放電灯点灯回路1は、直流入力を受けて交流変換及び昇圧を行う直流−交流変換回路3と、放電灯に起動用信号を供給するための起動回路4を備え、制御手段6によって該直流−交流変換回路3の出力する電力を制御して放電灯10の点灯制御を行う。直流−交流変換回路3を構成する交流変換用トランス7を設け、その一次側回路と二次側回路とが絶縁された構造とする。そして、交流変換された出力に対して交流変換用トランス7で昇圧された起動用信号を重畳して放電灯10に供給する。これにより起動専用のスタータトランスを不要にした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、放電灯点灯回路の高周波化に伴う弊害(電力損失の増加等)を解消するための技術に関する。
メタルハライドランプ等の放電灯の点灯回路には、DC−DCコンバータの構成をもった直流電源回路と、直流−交流変換回路、起動回路を備えた構成が知られており、例えば、バッテリからの直流電圧を直流電源回路において所望の電圧に変換した後で、後段の直流−交流変換回路にて交流出力に変換し、これに起動用信号(所謂スタータパルス)を重畳して放電灯に供給する(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、2段階の電圧変換(直流電圧変換と直流−交流変換)を行う構成形態において、回路規模が大きくなると、小型化に適さなくなるため、直流−交流変換回路における1段階の電圧変換により昇圧された出力を放電灯に供給するようにした構成が用いられる(例えば、特許文献2参照。)
特開平7−142182号公報 特開平7−169583号公報
しかしながら、従来の構成では、放電灯の起動回路に関して高周波化への対応に問題がある。
例えば、起動回路を構成するトランス(所謂スタータトランス)の二次巻線が放電灯に対して直列に接続されていると、直流−交流変換回路の出力周波数を高くした場合に該トランスでの損失が大きくなってしまい、効率低下の原因となる。尚、動作周波数(直流−交流変換回路を構成するスイッチング素子の駆動周波数)の高周波化は、回路の小型化にとって必須条件とされるので、起動回路等において電力損失を極力抑えることが必要である。また、起動回路においてトランスを用いることなく昇圧を行う構成を採用する場合に回路構成が複雑化してコスト上昇の原因となったり、小型化に支障を来す等の弊害が問題となる。
そこで、本発明は、直流−交流変換回路において交流変換及び昇圧(起動用信号の昇圧を含む。)の機能をもち、高周波化に適した回路構成を有するとともに、小型で安価な放電灯点灯回路の提供を課題とする。
本発明は、上記した課題を解決するために、直流入力を受けて交流変換及び昇圧を行う直流−交流変換回路と、放電灯に起動用信号を供給するための起動回路を備え、制御手段によって該直流−交流変換回路の出力する電力を制御して放電灯の点灯制御を行う放電灯点灯回路において、直流−交流変換回路を構成する交流変換用トランスを設けるとともに、その一次側回路と二次側回路とが絶縁された構造を有し、交流変換された出力に対して交流変換用トランスで昇圧された起動用信号を重畳して放電灯に供給するものである。
さらには、上記構成において下記の手段を設けることができる。
・直流−交流変換回路を構成する複数のスイッチング素子と、共振用コンデンサ、そして、共振用コンデンサとともに共振回路を形成する交流変換用トランスのインダクタンス成分又は共振用コンデンサに接続されたインダクタンス素子(スイッチング素子の駆動周波数を共振周波数以上の値に規定する。)
・交流変換用トランスに付設されて起動回路の出力端子が接続される専用巻線
・起動回路を構成する整流素子及びコンデンサと、該コンデンサに接続されたスイッチ素子(コンデンサの電圧上昇時にスイッチ素子が導通したときの出力電圧が上記交流変換用トランスの一次巻線又は上記専用巻線に印加される。)。
従って、本発明によれば、交流変換用トランスを用いて交流変換と昇圧の両方を行い、さらには、該交流変換用トランスを起動用信号の昇圧にも利用することで、回路構成が簡素化される(起動専用のスタータトランスが不要である。)。
本発明によれば、放電灯に直列接続されるスタータトランスを用いる必要がなく、動作周波数の高周波化に伴う損失を低減して効率を高めることができ、回路の小型化に適する。また、起動電圧発生及び電力供給に共通の交流変換用トランスを用いることで回路構成が簡素化され、コスト低減に有効である。
そして、上記スイッチング素子及び共振用コンデンサを設けた構成において、該スイッチング素子の駆動周波数を共振周波数以上の値に規定することによって、制御の安定性を保証することができる。
また、起動回路の出力端子を交流変換用トランスの一次巻線や上記専用巻線に接続することで起動用信号の昇圧を行うことができる。さらには、起動回路の入力として共振電圧を利用することにより、必要な高電圧(起動電圧)が得られるので、回路構成の簡素化及びコスト低減に有効である。
スイッチング素子の駆動周波数を、起動用信号の発生前に比して放電灯の点灯後に高くすることにより、放電灯の点灯前において起動に必要な高電圧を発生させ、放電灯の点灯後には効率良く点灯制御を行うことができる。
そして、整流素子、コンデンサ、スイッチ素子を用いて起動回路を構成することにより回路の簡素化が可能である。
図1は、本発明に係る基本構成例を示すものであり、放電灯点灯回路1は、直流電源2から電源供給を受ける直流−交流変換回路3と起動回路4を備えている。
直流−交流変換回路3は、バッテリ等から直流入力を受けて交流変換及び昇圧を行うために設けられている。本例では、2つのスイッチング素子5H、5Lと、それらを駆動してスイッチング制御を行う制御手段6を備えている。つまり、高段側のスイッチング素子5Hの一端が電源端子に接続され、該スイッチング素子の他端が低段側のスイッチング素子5Lを介して接地されており、制御手段6によって各素子5H、5Lが交互にオン/オフされる。尚、図には、これらの素子5H、5Lを単にスイッチの記号で示しているが、具体的には、図1の破線枠内に示すように、電界効果トランジスタ(FET)やバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子が用いられる。例えば、FETを使用する場合には、制御手段6からそのゲートに供給される駆動電圧に従ってそのオン/オフ状態が規定されるが、寄生ダイオードをFET自身が有しているので、両FETがともにオフ状態である時の電流はこの寄生ダイオードを介して流れることになる。また、バイポーラトランジスタを使用する場合には、制御手段6からベースに信号が供給されてそのオン/オフ状態が規定される。該トランジスタに対してダイオードを並列に接続すれば、両トランジスタがオフ状態の時の電流が該ダイオードを介して流れることになる。
直流−交流変換回路3は、交流変換用トランス7を有しており、その一次側回路と二次側回路とが絶縁された構造をもっている。そして、本例では、共振用コンデンサ8と、インダクタ又はインダクタンス成分9との共振現象を利用した回路構成が用いられている。つまり、構成形態としては、下記の3通りが挙げられる。
(I)共振用コンデンサ8とインダクタンス素子との共振を利用した形態
(II)共振用コンデンサ8と交流変換用トランス7のリーケージ(漏れ)インダクタンスとの共振を利用した形態
(III)共振用コンデンサ8と、インダクタンス素子及び交流変換用トランス7のリーケージインダクタンスとの共振を利用した形態。
先ず、上記(I)では、共振用コイル等のインダクタンス素子9を積極的に付設し、例えば、該素子の一端を共振用コンデンサ8に接続して、該コンデンサをスイッチング素子5Hと5Lとの接続点に接続する。そして、インダクタンス素子9の他端を交流変換用トランス7の一次巻線7pに接続した構成が挙げられる。
また、上記(II)では、交流変換用トランス7のインダクタンス成分9を利用することで、共振用コイル等の追加が不要である。つまり、共振用コンデンサ8の一端をスイッチング素子5Hと5Lとの接続点に接続し、該コンデンサの他端を交流変換用トランス7の一次巻線7pに接続すれば良い。
上記(III)では、インダクタンス素子とリーケージインダクタンスとの直列合成リアクタンスを用いることができる。
いずれの形態でも、共振用コンデンサ8と誘導性要素(インダクタンス成分やインダクタンス素子)との直列共振を利用し、スイッチング素子5H、5Lの駆動周波数を直列共振周波数以上の値に規定して該スイッチング素子を交互にオン/オフさせれば、交流変換用トランス7の二次巻線7sに接続された放電灯10の正弦波点灯を行うことができる。尚、制御手段6による各スイッチング素子の駆動制御において、スイッチング素子がともにオン状態とならないように相反的にそれぞれの素子を駆動する必要がある(オンデューティーの制御等に依る。)。また、直列共振周波数については、これを「f」と記し、共振用コンデンサ8の静電容量を「Cr」 、インダクタンス素子のインダクタンスを「Lr」、トランス7の一次側インダクタンスを「Lp1」と記すとき、例えば、上記形態(III)において、放電灯の点灯前では、「f=f1=1/(2・π・√(Cr・(Lr+Lp1))」となり、また、点灯後には、「f=f2≒1/(2・π・√(Cr・Lr))」となる(f1<f2)。
本発明の適用において制御手段6の構成形態についてその如何を問わないが、例えば、放電灯の点灯前の無負荷出力電圧を制御する回路や、放電灯の点灯後における過渡的な投入電力及び定常状態における投入電力について制御するための回路を設けることにより制御電圧を規定し、該電圧をV(電圧)−F(周波数)変換することによって得られるパルス信号を整形してスイッチング素子5H、5Lへの制御信号として送出する構成形態等が挙げられる。
起動回路4は、放電灯10に起動用信号を供給するために設けられており、起動時における起動回路4の出力が交流変換用トランス7にて昇圧されて放電灯10に印加される(交流変換された出力に対して起動用信号が重畳されて放電灯に供給される。)。
図2乃至図6は起動回路4の構成例を示したものであり、下記に示す構成形態が挙げられる。
(A)起動回路の出力端子を、交流変換用トランスの一次巻線の途中に接続した形態(図2、図3参照)
(B)起動回路の出力端子を、交流変換用トランスに付設された専用巻線に接続した形態(図4参照)。
尚、いずれの形態でも、交流変換用トランス7の二次巻線7sから起動用信号を放電灯10に印加することができる。
先ず、(A)では、例えば、図2に示すように、起動回路4Aの出力端子の一方を交流変換用トランス7の一次巻線7pの途中に接続し、他方の出力端子を一次巻線7pの一端(グランド側端子)に接続した形態や、図3に示すように、起動回路4Bの両出力端子を交流変換用トランス7の一次巻線7pの途中に接続した形態が挙げられる。
起動回路4A、4Bは複数の整流素子及びコンデンサと、スイッチ素子を用いて構成され、スイッチ素子としては、例えば、スパークギャップやバリスタ等の自己降伏型素子、あるいはサイリスタやIGBT(絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ)、FET等の制御端子を備えた半導体素子を用いることができる。図2、図3に示す例では、2つのコンデンサ11、12、ダイオード13、14、スイッチ素子15を備えている。
コンデンサ11の一端は、共振用コンデンサ8とインダンタンス素子9又はリーケージインダクタンス成分を含めた一次巻線7pとの接続点に接続され、該コンデンサ11の他端がダイオード13のカソード及びダイオード14のアノードに接続されている。ダイオード14のカソードはスイッチ素子15を介して一次巻線7pの途中に接続されるとともに、コンデンサ12の一端に接続されている。そして、図2の例では、コンデンサ12の他端及びダイオード13のアノードが一次巻線7pのグランド側端子に接続され、また、図3の例では、コンデンサ12の他端及びダイオード13のアノードが一次巻線7pの途中に接続されている。いずれの構成においても、ダイオード及びコンデンサを用いたチャージポンプ式回路(倍電圧回路)においてコンデンサ12への電荷移送が行われて該コンデンサの両端電圧がある閾値まで上昇するとスイッチ素子15が導通して、そのときの出力電圧が交流変換用トランス7の一次巻線7pに印加される。そして、昇圧された起動用信号が放電灯10に印加されて放電灯が点灯することになる。
起動回路4の各出力端子の間に位置する部分(一次巻線7pの一部)の巻数を「np」とし、交流変換用トランス7の二次巻線7sの巻数を「ns」と記すとき、起動回路4の出力は「ns/np」倍に昇圧される。例えば、自動車用照明光源に用いる放電灯の場合には、二次側に20キロボルト以上のパルス電圧を発生させる必要があるため、起動回路の出力するパルス電圧を1キロボルトとすると、「1:20」以上の昇圧比を要する。尚、放電灯の起動時には、このような高電圧が発生するため、交流変換用トランス7の一次側回路と二次側回路とが絶縁された構造をもっている。
次に、上記形態(B)では、例えば、図4に示すように、起動回路4Cの各出力端子を、一次巻線7pよりも巻数の少ない専用巻線7aに接続して出力電圧を昇圧することができる。つまり、図3との構成上の相違点は、スイッチ素子15の一端が専用巻線7aの一端に接続されるとともに、コンデンサ12とダイオード13のアノードとの接続点が専用巻線7aの他端に接続されていることである。本構成においてコンデンサ12への電荷移送により、該コンデンサの電圧上昇時にスイッチ素子15が導通し、そのときの出力電圧が専用巻線7aに印加される。上記巻数「np」が専用巻線7aの巻数に相当し、起動回路4Cの出力は「ns/np」倍に昇圧され、起動用信号が放電灯10に印加されて放電灯が点灯することになる。
上記した各形態において起動回路の入力端子の一方は出力端子と共通であるが、もう一方の入力端子を、共振用コンデンサ8とインダンタンス素子9との間、あるいは、共振用コンデンサ8と交流変換用トランス7の一次巻線7pとの接続点に接続することにより、共振電圧を起動回路に入力することができる。
交流変換用トランス7の二次側において放電灯10を起動させるのに必要な波高値を有するパルス電圧を発生させるためには、起動回路4内のコンデンサに対して出来るだけ高い電圧を供給してその充電を行う必要がある。この充電電圧が低い場合には、昇圧比を大きくすることが必要となり、巻線比を大きくしなければならない。よって、理想的な波高値をもったパルスを得ることが難しくなったり、あるいは抵抗損の増加等が問題となる(又は電力損失を低減するために太線化するとトランスの大型化に繋がる。)。そこで、共振用コンデンサ8及び交流変換用トランス7のリーケージインダクタンス若しくはインダクタンス素子の共振電圧を起動回路4に入力すれば、既存の回路素子を利用して高い電圧を得ることができるので、回路構成の簡素化及びコスト低減に有効である。
また、起動用信号(パルス電圧)を発生させて放電灯を点灯させた後、該放電灯を安定に制御するためには、スイッチング素子5H、5Lの駆動周波数に関して、起動用信号の発生前の周波数値よりも放電灯が点灯した後の周波数値を高くすることが望ましい。起動用信号の印加によって放電灯が点灯する前の状態では、交流変換用トランス7の二次側回路が開放状態とされ、よって、該トランスは等価的にチョークコイルとみなせる。そのため、この状態での直列共振周波数は上記f1であり、点灯時のf2よりも周波数値が小さく、起動時にはf1付近の駆動周波数をもってスイッチング素子を制御する。そして、放電灯の点灯後には、共振用コンデンサ8の静電容量と、交流変換用トランス7のリーケージインダクタンス又はインダクタンス素子のインダクタンス(あるいは両者の合成インダクタンス)によって決まる直列共振周波数f2の付近に位置する駆動周波数をもってスイッチング素子を制御する。
電力制御においては、直列共振周波数よりも高い駆動周波数でスイッチング制御を行うことが好ましく、また、駆動周波数を直列共振周波数に一致させた場合には最大電力を取り出せるので、該電力を初期電力として放電灯に供給することで放電灯の発光を促進して速やかに定常状態へと移行させることができる。尚、直列共振周波数未満の駆動周波数をもってスイッチング制御を行った場合には、共振用コンデンサの静電容量と上記インダクタンスとの合成インピーダンスが容量性領域に入り、制御し難い状態に陥ってしまうため、そのような状態を極力回避するように駆動周波数(スイッチング周波数)を制御することが望ましい。
例えば、放電灯の点灯前にはf1よりも高い周波数からf1に近づけることで高い共振電圧を発生させ、これを起動回路4に供給することができる。そして、起動用信号により放電灯が点灯した後において、効率良く放電灯に電力を供給するために駆動周波数をf2(>f1)へ近づけることが、回路規模の小型化及び低コスト化にとって好ましい。
ところで、以上に説明した起動回路の構成形態では、その入力端子に共振電圧が印加されるものとしたが、本発明の適用において、そのような回路に限定される訳ではない。
例えば、前記のように起動回路の入力端子には高い電圧を印加する必要があり、例えば、電源電圧が低い場合(定格電圧が低い場合や、定格値に比して実際の電源電圧が低くなった状況等)には、共振電流を大きくする必要性から電力損失が増加したり、素子の定格や耐圧が大きくなり、回路規模の増大やコスト上昇が問題となる。放電灯が点灯している時に、交流変換用トランスの一次電流は、該トランスの一次巻線及び二次巻線の各巻数及び二次電流(ランプ電流)によって決まり、共振用コンデンサとトランスのインダクタンス成分又はインダクタンス素子による合成インピーダンスが小さい方が電力損失を少なくすることができる。しかし、該インピーダンスを小さくし過ぎると、放電灯が点灯する前の共振電圧(起動回路への入力電圧)が充分に高くならない虞があるため、共振電流を大きくすることが必要となり、結果として電力損失が増えてしまう。あるいは、共振電圧が低い場合に、例えば、起動回路内のコンデンサ及びダイオードからなる回路(チャージポンプ型回路)の段数を増やすか、又は起動用信号に係る昇圧比を大きくする必要が生じ、回路構成が複雑化したりトランスの大型化等を齎す原因となる。
そこで、電源電圧の低さが問題になる場合には、下記に示す構成形態が挙げられる。
(a)交流変換用トランスの二次側から起動回路への入力電圧を得る形態(図5参照)
(b)共振用コンデンサに接続されたインダクタンス素子とともにトランスを構成する補助巻線を設けて、該補助巻線から起動回路への入力電圧を得る形態(図6参照)。
先ず、形態(a)では、図5に示すように、起動回路4Dの一方の入力端子を、交流変換用トランス7の二次巻線7sの途中又は一端(非接地側端子)に接続する。そして、起動回路4Dの他方の入力端子については、一次巻線7pの一端(グランド側端子)に接続する。本例に示す起動回路4Dの内部構成は、図2の例と同じとされており、よって、コンデンサ11の一端が二次巻線7sに接続されてコンデンサ11、12の充電が行われる。尚、本例では、起動回路4Dの出力端子の一方を一次巻線7pの途中に接続し、出力端子の他方を一次巻線7pのグランド側端子に接続しているが、これに限らず、図3のように両出力端子を一次巻線の途中に接続したり、あるいは、図4のように専用巻線7aに接続しても構わない。いずれにしても、回路に流れる最大電流値を下げることで、回路への負担を軽減して電力損失を低減できる。また、回路規模を小さくできるので、小型化やコスト低減にとって有利である。
上記形態(b)では、図6に示すように、共振用のインダクタンス素子9に対して補助巻線16を設け、該巻線の両端を起動回路4Eの各入力端子に接続する。本例に示す起動回路4Eの内部構成は、図2の例と同じとされており、よって、コンデンサ11の一端が補助巻線16の一端に接続され、該巻線の他端がダイオード13のアノードに接続される。インダクタンス素子9及び補助巻線16を用いて昇圧された電圧によって、起動回路4Eのコンデンサ11、12が充電される。尚、本例では、起動回路4Eの出力端子の一方を一次巻線7pの途中に接続し、出力端子の他方を一次巻線7pのグランド側端子に接続しているが、これに限らず、図3のように両出力端子を一次巻線の途中に接続したり、あるいは、図4のように専用巻線7aに接続しても構わない。いずれにしても、補助巻線16に係る巻数の設定によって、起動回路への入力電圧を自由に設計することができる。また、補助巻線16の追加により部品点数が1つ増えるが、起動用信号の発生に伴う入力電圧への影響を考慮して回路設計を行う必要がなくなる。
本発明に係る基本構成例を示す図である。 図3乃至図6とともに起動回路を構成形態について例示した回路であり、本図はその一例を示す図である。 起動回路の別例を示す図である。 交流変換用トランスに設けられた専用巻線を用いた構成例を示す図である。 交流変換用トランスの二次側から起動回路に入力電圧を供給する構成例を示す図である。 インダクタンス素子及び補助巻線を用いて起動回路に入力電圧を供給する構成例を示す図である。
符号の説明
1…放電灯点灯回路、3…直流−交流変換回路、4、4A、4B、4C、4D、4E…起動回路、5H、5L…スイッチング素子、6…制御手段、7…交流変換用トランス、7p…一次巻線、7s…二次巻線、7a…専用巻線、8…共振用コンデンサ、9…インダクタンス素子又はインダクタンス成分、10…放電灯、11、12…コンデンサ、13、14…整流素子、15…スイッチ素子

Claims (6)

  1. 直流入力を受けて交流変換及び昇圧を行う直流−交流変換回路と、放電灯に起動用信号を供給するための起動回路を備え、制御手段によって該直流−交流変換回路の出力する電力を制御して放電灯の点灯制御を行う放電灯点灯回路において、
    上記直流−交流変換回路を構成する交流変換用トランスを設けるとともに、その一次側回路と二次側回路とが絶縁された構造を有し、交流変換された出力に対して上記交流変換用トランスで昇圧された起動用信号を重畳して放電灯に供給する
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  2. 請求項1に記載した放電灯点灯回路において、
    上記直流−交流変換回路が複数のスイッチング素子及び共振用コンデンサを有しており、上記制御手段によって該スイッチング素子を駆動して該共振用コンデンサと上記交流変換用トランスのインダクタンス成分若しくは該共振用コンデンサに接続されたインダクタンス素子とを直列共振させるとともに、該スイッチング素子の駆動周波数を共振周波数以上の値に規定した
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  3. 請求項1又は請求項2に記載した放電灯点灯回路において、
    上記起動回路の出力端子を、上記交流変換用トランスの一次巻線の途中に接続し又は該一次巻線よりも巻数の少ない巻線として上記交流変換用トランスに付設された専用巻線に接続し、上記交流変換用トランスの二次巻線から上記起動用信号を放電灯に印加する
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  4. 請求項2又は請求項3に記載した放電灯点灯回路において、
    上記起動回路の入力端子を、上記共振用コンデンサと上記交流変換用トランスの一次巻線との接続点又は上記交流変換用トランスと上記インダクタンス素子との接続点に接続することにより、上記直流−交流変換回路における共振電圧を上記起動回路に入力する
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  5. 請求項2又は請求項3又は請求項4に記載した放電灯点灯回路において、
    上記スイッチング素子の駆動周波数に関して、上記起動用信号の発生前の周波数値よりも上記放電灯が点灯した後の周波数値の方が高くなる
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  6. 請求項1又は請求項2又は請求項3又は請求項4又は請求項5に記載した放電灯点灯回路において、
    上記起動回路が、整流素子及びコンデンサと、該コンデンサに接続されたスイッチ素子を有しており、該コンデンサの電圧上昇時に該スイッチ素子が導通したときの出力電圧が上記交流変換用トランスの一次巻線又は上記専用巻線に印加される
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
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