JP2006351500A - 蛍光灯の直流電源による直流点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光灯の点灯方式として、交流電源ＡＣ１００Ｖによるスタータ（グロー放電管）点灯、インバータ点灯によるものが主流であった。この方式は光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧の面で欠点を持っていた。
【解決手段】蛍光灯を直流電源による直流点灯回路によって点灯すれば、光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧および漏洩電流を大幅に低減した照明光源が実現できる。いままでの量的な光源から、質的な光源を追求した良質の光が獲得できる。人間の眼にやさしく、環境に適合した光源を提供できるのである。
【選択図】図４

Description

本発明は、蛍光灯の直流電源による直流点灯回路に関する。

蛍光灯は一般的に次のような種類がある。第１にはフィラメントを使用したもの、第２は冷陰極電極を使用したもの、第３は電極のない無電極によるものがある。ここでは電極とフィラメントによる点灯方式について説明する。従来、蛍光灯（放電管の一種）の電源として、交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）を利用したスタータ（グロー放電管）方式点灯回路、ラピッドスタート型点灯回路またはインバータ方式点灯回路等を使用して蛍光灯の点灯を行なってきた。この際、蛍光灯は一定期間の使用を経過すると寿命（一般的には５０００〜９０００時間）を向え、点灯しなくなるのが通常であった。この壊れた蛍光灯は廃棄され、新しい蛍光灯に交換して使用することが日常的に実施されている。私達の家庭内においても蛍光灯は数１０灯が使用されている。その他、工場、事務所、公共施設、駅ターミナル、マンション、学校、競技場、店舗、飲食店、ホテル、外灯等その他多くの場所において数１００灯、あるいはそれ以上使用されているのが現状である。日本全体では数１０億本、それ以上の蛍光灯が使用されていることが推測される。

このように蛍光灯は私達の生活になくてはならないものになっている。いままで蛍光灯は主に、光の明るさ（照度）を追求してきた。特にインバータ方式点灯回路は省電力、省資源などの点において技術的に大きな成果を達成し、発展してきたのである。いままでの蛍光灯の点灯方式は主に、交流電源（低周波、高周波）を利用し、省電力化を追求したものが多く、蛍光灯の質的な分野である光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧、漏洩電流などを低減する面ではまだまだ未開拓の部分を数多く残している。これらの問題点を解決すれば蛍光灯の可能性がさらに高まることは明らかである。蛍光灯は白熱灯などに比べてたいへん優れた特性を持っている。このため従来の白熱灯による照明器具にとって変わったのである。蛍光灯は発熱が少なく、面光源としての照明に適しているのである。さらに省電力、省資源の点においてもたいへん優れた特性を有している。このように数々の特徴を持つ蛍光灯は、今後とも照明器具の中心的な存在として、ますます発展していくことが考えられる。
「東芝フォトカプラ カタログ 赤外ＬＥＤ＋フォトダイオードアレイ 商品名：フォトカプラ（フォトボル出力）」株式会社東芝 ２００４年１０月 「新電元デバイス カタログ 商品名：サイダック 新電元株式会社 ２００４年１０月

蛍光灯の駆動電源として一般的に交流電源ＡＣ１００Ｖ、インバータ電源など基本的に交流電源が利用されている。このため光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧、漏洩電流などの面では技術的開発が遅れていたのが現状であった。これらの欠点を改善するための手段として、蛍光灯の駆動電源として直流電源を利用するとこれらの欠点を大幅に改善できるのである。第１に光リップル（光のチラツキ）は人間の眼に大きな影響を与えることが知られている。従来の蛍光灯のもとで長時間、読書や勉強したり、デスクワークおよび精密部品の組立て、検査作業などを行なった場合、眼精疲労などの影響が大きくなり体調不良になることも数多く経験することである。この光リップル（光のチラツキ）を低減することは眼精疲労を低減し、体調を整えることができる。また弱視の人にとって、光リップル（光のチラツキ）を低減することは眼精疲労を減らし、眼にやさしい光を提供できるのである。第２として放射電界強度の発生が問題となっている。放射電界強度の発生が大きい場合、病院におけるベッドルームの光源、検査室の照明器具、オーディオスタジオ内の照明、磁気ディスクの製造ラインにおける光源などで使用が制限されるのである。放射電界強度の発生レベルによっては、医療機器、精密測定機などに大きな影響を与えるのである。同様に雑音端子電圧および漏洩電流についても低減することが求められている。

蛍光灯の点灯回路としては、従来からスタータ（グロー放電管）方式点灯回路、ラピッドスタート型点灯回路またはインバータ方式点灯回路が利用されてきた。どちらも交流電源を使用するために光リップル（光のチラツキ）や放射電界強度、雑音端子電圧の面では、これを大きく改善することはたいへん困難なことであった。この問題を改善すれば蛍光灯の利用範囲はさらに広がっていくことは十分に考えられる。光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧および漏洩電流を大幅に低減する手段として、蛍光灯の点灯方式を直流電源にすれば解決するのである。直流電源による直流点灯回路もいくつかの方式が考えられる。第１に低コスト、簡易回路による直流点灯回路、第２に光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度および雑音端子電圧をある程度低減したスタンダードタイプの直流点灯回路、第３は光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧および漏洩電流を大幅に低減し、性能を重視した直流点灯回路である。これらの直流点灯回路はその使用目的に応じて選択されるのである。ただ、直流点灯回路も大きな欠点を有している。つまり直流電源で蛍光灯を直流点灯させた場合、ある時間が経過すると蛍光灯の管端部の片側で黒化現象（カタホレシス現象）が発生する。この現象は直流点灯の場合、電子の放出が一方向に偏り、水銀粒子が片側に引き寄せられるために片側の発光が減少するものである。このため蛍光灯で直流点灯を連続して行なう場合は、極性を定期的に切換えて安定した点灯を維持する必要がある。この極性切換えは半導体による極性切換回路により安定した点灯が可能となったのである。これからの照明装置を考えた場合、究極の目標は太陽の光であり、自然の太陽の光が最も優れているのである。太陽光は光リップル（光のチラツキ）および放射電界強度の発生がほとんど測定できないレベルにある。蛍光灯の点灯装置として直流電源を採用することにより今後、少しでも太陽光に近づける目標ができるのである。

蛍光灯の直流点灯装置は、身近なところでは長時間デスクワークをする人、受験勉強における学習スタンドなどの利用が考えられる。また工業分野においては、光リップル（光のチラツキ）を低減することは、たいへん有効である。例えば、高感度ＣＣＤカメラの検査工程の基準光源、目視検査工程における光源、液晶パネルの検査工程の光源、面積１ｍ^２を越える面発光光源、顕微鏡の光源、ハイビジョンＴＶの撮影時における光源、液晶パネルのバックライト光源、印刷原版の検査工程における光源、複写機やファクシミリの光源など数々の応用が考えられる。また放射電界強度、雑音端子電圧および漏洩電流を低減することは、いままで使用できなかった場所にも適用が可能になるのである。例えば、オーディオスタジオ内の照明装置、病院ベッドサイド光源、病院の検査室内の照明装置、磁気デスク製造ラインにおける光源などが考えられる。直流電源による点灯回路は、従来の交流電源を使用した点灯回路では実現できなかった分野にも進出が可能となるのである。

直流電源による直流点灯装置は一般家庭においての利用もたいへん有効である。受験勉強における学習スタンドや新聞を読む際の光源として、さらに年老いた人、弱視の人にとって光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧および漏洩電流を大幅に低減した光源はたいへん価値の高いものである。また工業分野でも前述したように様々な分野に応用が可能となる。さらに蛍光灯は面発光の光源として広く利用されている。直流電源による点灯回路は、このように蛍光灯の光の質的な面を高めていくことになるのである。今後、さらに優れた蛍光灯の直流点灯回路の開発につながるもので、これからますますこの分野の研究開発が強く求められているのである。以下、本発明の実施の形態を図１〜図４０に基づいて説明する。

まず、図１の蛍光灯の発光原理（モデル図）について説明する。蛍光灯１の発光原理は、点灯（始動）の際、電極１０、１１、電極１２、１３に電流を流して予熱すると、高温になったフィラメント１４、１５（陰極）から電子７が豊富に放出される。放出された電子７は反対側の電極（陽極）に引かれて移動し、放電が始まる。放電により流れる電子７は、ガラス管２内に封入された水銀粒子８と衝突する。衝突により水銀粒子８は電子７のエネルギーを受け、紫外線９を発生する。ガラス管内壁に塗布された蛍光物質（蛍光面４）が紫外線９を受けて、可視光線を発生する。またアルゴンガス５は放電を促進するためのものである。蛍光灯１の構造は他に口金３、絶縁板６等で構成されている。

図２は蛍光灯のスタータ（グロー放電管）方式点灯回路による点灯方式を説明する。この方式は、あらかじめフィラメント１４、１５を十分予熱してから放電を行わせるものである。交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８を印加して、電極１０、１１、電極１２、１３に電圧を加えるとスタータ（グロー放電管）１６の接点が閉じ、両方のフィラメント１４、１５に短絡電流が流れ、フィラメント１４，１５を予熱して電子７（図１で記述）が放出される。やがて、スタータ（グロー放電管）１６の接点が開くとその瞬間に安定器（インダクタンス）１７からインダクションキック電圧と呼ばれる高圧電圧がかかり、蛍光灯１が点灯、始動する。始動後はランプ電流による熱でフィラメント１４、１５が加熱され、電子７が放出され続けるのである。またコンデンサ１９はスタータ（グロー放電管）１６のノイズ低減とフィラメント電流を安定させる役割をもっている。同時に安定器（インダクタンス）１７により蛍光灯１は安定した点灯ができるのである。ここでスイッチ２０は交流電源をＯＮ／ＯＦＦするためのものである。

図３は蛍光灯のインバータ方式点灯回路による点灯方式を説明する。このインバータ点灯回路２６は図２のスタータ（グロー放電管）方式点灯回路と同様にあらかじめフィラメント１４（電極１０、１１）、１５（電極１２、１３）を十分予熱してから放電を行なうものである。この回路構成でまず、交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８を印加する。雑音防止フィルタ２１を経由して、整流回路２２により直流電圧に変換し、高調波低減回路（平滑回路を含む）２３によって直流電圧の電圧変動を低減させるのである。この直流電圧はインバータ回路（高周波変換回路）２４によって２０〜１００ＫＨｚの高周波交流電圧を発生させ、高周波安定器２５によって蛍光灯１を点灯させるものである。始動後はランプ電流による熱でフィラメント１４、１５が加熱され、電子７（図１で記述）が放出され続けるのである。これによって蛍光灯１は安定した点灯ができるのである。

図４は本発明のリーケージトランスタイプの直流電源による直流点灯回路について説明する。ここでは具体的な例として、蛍光灯の１０〜１１０Ｗクラスの直流点灯回路について説明する。この直流点灯回路はリーケージトランスを組み込んだ直流電源発生回路部、コントロール回路用電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部によって構成される。この回路構成によって光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧および漏洩電流を大幅に低減することができる。最初に、直流電源発生回路部について説明する。まず、制御回路に交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８を雑音防止フィルタＮＦ１を介して供給する。電源回路を保護するためにヒューズＦ１を配置し、リーケージトランスＴ１、１次側に交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８が入力される。これによって２次側に交流電圧が出力される。この交流電圧はダイオードブリッジＳＢ１を通過して、全波整流を行ない、電解コンデンサＣ１、抵抗Ｒ２２の平滑回路で電圧が当初、約ＤＣ１４０Ｖから約ＤＣ９０Ｖに降下するように設定される。リーケージトランスＴ１は入力に電圧を加え、定格の電流を流すと出力の電圧が降下し、負荷に応じて安定するものである。また、ダイオードブリッジＳＢ１の両端にサージアブソーバＺ１を組込んでスパイクノイズを減少させている。次にコントロール回路用電源部について説明する。トランスＴ２では制御回路の制御用電源をつくるために、ダイオードブリッジＳＢ２を通過して全波整流を行ない、平滑回路、電解コンデンサＣ１２、コンデンサＣ１３、３端子レギュレータＲＧ１によって安定化したＤＣ＋１２Ｖをつくり、さらに平滑回路、電解コンデンサＣ１４、コンデンサＣ１５、３端子レギュレータＲＧ２によって安定化したＤＣ＋８Ｖをつくる。このＤＣ＋１２Ｖ、ＤＣ＋８ＶはＧＮＤラインとの電圧値である。また、ダイオードブリッジＳＢ２の両端にサージアブソーバＺ２を組込んでスパイクノイズを減少させている。次にヒータ回路部について説明する。トランスＴ２の２次側の２つの出力は蛍光灯ＦＬ１のフィラメント１４（電極１０、１１）、フィラメント１５（電極１２、１３）に電圧を供給する。このトランスＴ２とフィラメント１４、１５の間にスイッチＳＷ１、ＳＷ２が配置されている。このスイッチＳＷ１、２は蛍光灯ＦＬ１が安定した点灯動作に入った後に動作させるものである。通常スイッチＳＷ１、２はＯＮ状態になっているが、これをＯＦＦ状態にするとフィラメント１４、１５に電流が流れなくなり、蛍光灯ＦＬ１は冷陰極動作状態になって、光リップル（光のチラツキ）をさらに低減することができる。これによって、いままで不可能であった超高性能ＣＣＤカメラの検査工程における基準光源として使用できるようになったのである。このスイッチＳＷ１、２は図面ではメカ式スイッチを使用しているが、これを半導体スイッチにて使用することも同様に考えられる。この際、冷陰極動作の状態では極性切換えはできないので、もし極性切換えを行なう場合はスイッチＳＷ１、２をＯＮ状態にする必要がある。この動作を繰り返すことにより、光リップル（光のチラツキ）が非常に少ない光源を得ることができる。

次に電流検出回路部について説明する。スタータ回路部で発生するトリガーパルスが蛍光灯ＦＬ１の管の両端に加わり、発光を開始する。この際、抵抗Ｒ１に一定の電流が流れる。この抵抗Ｒ１の電圧を検出して、ダイオードＤ２の両端をショート状態（リレーＲＹ１の接点が閉の状態）にすることにより、ダイオードＤ２の機能を停止する役割を持っている。具体的には、オペアンプＵ１（端子１、２、３）は蛍光灯ＦＬ１に流れる電流を検出し、蛍光灯ＦＬ１が点灯したことを確認する。当初、リレーＲＹ１は点灯前はＯＦＦ（リレーＲＹ１の接点は開の状態）状態となり、パルス電圧が電極のみにかかるようになっている。その後、このリレーＲＹ１は極性を変化させるためにＯＮ（リレーＲＹ１の接点は閉の状態）状態にして、ダイオードＤ２をシャントするための動作を行なうものである。このことにより蛍光灯ＦＬ１に流れる電流の方向を自由に切換える機能を持つことになる。具体的な例としては、抵抗Ｒ２３、２４により蛍光灯ＦＬ１に流れる電流値を設定できる。例えば、電流値を１００ｍＡに設定したり、２００ｍＡなどに設定したりすることができる。また抵抗Ｒ２５を通して、抵抗Ｒ１の電圧を検知する。例えば、抵抗Ｒ１が１Ωとし、蛍光灯ＦＬ１に流れる電流を５００ｍＡとした場合、０．５Ｖの電圧が発生する。従って蛍光灯ＦＬ１の電流は抵抗Ｒ１の両端電圧を測ることにより、電圧を検知することができるのである。さらに、電解コンデンサＣ３は電流の変動を押えるためのもので、フィルタの役割を果たしている。ツェナ−ダイオードＺＤ１はオペアンプＵ１の出力でＯＮ／ＯＦＦの不感帯値を確保するためのものである。またトランジスタＱ１５によりオペアンプＵ１のＯＮ／ＯＦＦ状態の逆を作り出すものである。ここで抵抗Ｒ２８、３０はトランジスタＱ１５を安定的にＯＮ／ＯＦＦさせるためのものである。さらに抵抗Ｒ２９はトランジスタＱ１５のＯＮ／ＯＦＦの電流値を一定にするためのものである。次にトランジスタＱ１４はリレーＲＹ１をドライブするものである。ここで抵抗Ｒ２６、２７はトランジスタＱ１４を安定的にＯＮ／ＯＦＦさせるためのものである。またダイオードＤ３はリレーＲＹ１のコイルに発生する逆電圧を押えるためのものである。さらにコンデンサＣ８は電源ノイズを低減させるためのものである。

蛍光灯ＦＬ１を直流電源にて直流点灯させた場合、ある時間が経過すると蛍光灯ＦＬ１の管端部の片側で黒化現象（カタホレシス現象）が発生する。この現象は直流点灯の場合、電子の放出が一方向に偏り、水銀粒子が片側に引き寄せられるために片側の発光が減少するものである。このため蛍光灯ＦＬ１では直流点灯を連続して行なう場合は、極性切換回路が必要になってくる。次にこの極性切換回路部について説明する。回路はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）Ｑ１（Ｓ、Ｇ、Ｄ）、Ｑ２（Ｓ、Ｇ、Ｄ）、Ｑ３（Ｓ、Ｇ、Ｄ）、Ｑ４（Ｓ、Ｇ、Ｄ）によりブリッジ回路を構成している。蛍光灯ＦＬ１の電流を逆転させ、極性切換えを行なう機能を持っている。この極性切換えは極性切換コントロール回路部からの信号によって実行される。次に極性切換コントロール回路部について説明する。抵抗Ｒ２０、２１、トランジスタＱ１３によりタイマーＩＣ、Ｕ３（端子１、２、３、４、５、６、７、８）の出力を、フォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ１、ＰＨ２の入力ダイオードをドライブする。ここで抵抗Ｒ１２はフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ１、２に流れる電流を制限するものである。また抵抗Ｒ１８、１９、トランジスタＱ１２により、トランジスタＱ１１出力の信号でフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ３、ＰＨ４の入力ダイオードをドライブする。ここで抵抗Ｒ１３はフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ３、４に流れる電流を制限するものである。この入力信号によってフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ１の出力、抵抗Ｒ３１、ダイオードＤ４によりトランジスタＱ５をＯＮ／ＯＦＦ駆動させる役割とフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ１出力のＯＮからＯＦＦの時間を短縮するための回路である。同様にフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ２の出力、抵抗Ｒ３２、ダイオードＤ５によりトランジスタＱ６をＯＮ／ＯＦＦ駆動させる役割とフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ２出力のＯＮからＯＦＦの時間を短縮するための回路である。同様にフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ３の出力、抵抗Ｒ３３、ダイオードＤ６によりトランジスタＱ７をＯＮ／ＯＦＦ駆動させる役割とフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ３出力のＯＮからＯＦＦの時間を短縮するための回路である。同様にフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ４の出力、抵抗Ｒ３４、ダイオードＤ７によりトランジスタＱ８をＯＮ／ＯＦＦ駆動させる役割とフォトカプラ（フォトボル出力）ＰＨ４の出力のＯＮからＯＦＦの時間を短縮するための回路である。次にタイマー回路部について説明する。タイマーＩＣ、Ｕ３（端子１、２、３、４、５、６、７、８）、抵抗Ｒ１４、１５、電解コンデンサＣ４、コンデンサＣ９により安定したパルスを作り出すのである。例えば、数秒〜数１０分間程度のＯＮ／ＯＦＦ信号を作り出し、制御信号とするのである。回路の中で抵抗Ｒ１４、１５、電解コンデンサＣ４はＯＮ／ＯＦＦの時間を設定するものである。またトランジスタＱ１１、抵抗Ｒ１０、１７により、タイマーＩＣ、Ｕ３の出力信号を反転させるのである。ここで抵抗Ｒ１１はトランジスタＱ１１の動作電流を一定にするためのものである。さらに抵抗Ｒ１６はタイマーＩＣ、Ｕ３の出力電圧を保持するためのものである。

次にスタータ回路部について説明する。抵抗Ｒ２、３、サイダックＤ１、コンデンサＣ１０、トリガートランスＴＧ１によって蛍光灯ＦＬ１の放電を促し、キック電圧約１３０Ｖ以上のパルス電圧を発生させるのである。まず、抵抗Ｒ２、３により、サイダックＤ１に印加する電圧をつくり、サイダックＤ１を動作させる。このことによりコンデンサＣ１０を通じて、トリガートランスＴＧ１の１次側にパルス電圧約１３０Ｖを印加する。これによって２次側出力に約１３００Ｖ以上のパルス電圧が発生することになる。つまり、蛍光灯ＦＬ１の両端に約１３００Ｖ以上のパルス電圧が印加されることになる。この時、ダイオードＤ２は逆方向に流れる電流を押える役割を持っている。従って、ダイオードＤ２はキック電圧が印加された時、漏れ電流の少ない性能を持つダイオードを選択する必要がある。またコンデンサＣ１１はトリガーパルス電圧の出力をある一定の電流に保持する役割を持っている。ここでサージアブソーバＺ３はスパイクノイズを減少させる役割を持っている。次に定電流回路部について説明する。蛍光灯ＦＬ１に流れる電流を定電流化するための回路である。この回路によって蛍光灯の明るさ（照度）の変動を最小限に押え、安定化させるものである。抵抗Ｒ７、トランジスタＱ１０により、トランジスタＱ９をドライブできるように電流増幅回路を構成する。ここで抵抗Ｒ６はトランジスタＱ９、１０に流れる電流を決めるものである。また抵抗Ｒ５、９によってオペアンプＵ２のゲインを決めている。次に抵抗Ｒ４は抵抗Ｒ１に誘起される電圧を検出するものである。コンデンサＣ７は回路の異常発振を押えるためのフィルタの役割を持っている。オペアンプＵ２（端子１、２、３）、抵抗Ｒ８、可変抵抗器ＶＲ１（端子１、２、３）、ＶＲ２（端子１、２、３）、ＶＲ３（端子１、２、３）で構成される回路は、出力電流を設定するための電圧をつくる回路である。ここでコンデンサＣ６は調光電圧を設定する際のノイズを除去するためのものである。また、電解コンデンサＣ２、コンデンサＣ５は安定化したＤＣ＋８Ｖのノイズを押えるデカップリングコンデンサの役割を果たしている。このことにより蛍光灯ＦＬ１の電流の定電流値を設定することができるのである。まず、可変抵抗器ＶＲ１により蛍光灯ＦＬ１に流れる電流のＭＡＸ値を決定する。また可変抵抗器ＶＲ３により蛍光灯ＦＬ１に流れる電流のＭＩＮ値を決定する。次に可変抵抗器ＶＲ２により電流値を変化させ、蛍光灯ＦＬ１に流れる電流を自由にコントロールすることができるのである。この電流値をコントロールすることはつまり蛍光打ＦＬ１の明るさ（照度）を自由にコントロールできる調光機能を持っている。この機能により目視検査時における明るさを最適なものに設定できることや大型高精細ＴＶ鑑賞における室内の照明の明るさを調整して、映画鑑賞おける雰囲気を容易に設定できるなど様々な応用が考えられるのである。

図５は本発明のコンデンサインプットタイプ（１）の直流電源による直流点灯回路について説明する。ここでは具体的な例として、蛍光灯の１０〜４０Ｗクラスの直流点灯回路について説明する。この直流点灯回路はコンデンサを直列に組み込んだ直流電源発生回路部以外、コントロール電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部については図４のリーケージトランスタイプの直流点灯回路と同じである。この回路構成によって光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度および雑音端子電圧を低減することができる。ここでは直流電源発生回路についてのみを説明する。交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８はヒューズＦ１および雑音防止フィルタＮＦ１を通過して、電解コンデンサーＣ１６、Ｃ１７に接続し、抵抗Ｒ３５を直列に接続する。これをダイオードブリッジＳＢ１のＡＣ端子に接続する。この交流電圧はダイオードブリッジＳＢ１を通過して、全波整流を行ない、電解コンデンサＣ１、抵抗Ｒ２２によって平滑回路が構成される。電解コンデンサＣ１６、Ｃ１７は無極性化したもので、さらに抵抗Ｒ３５を接続して、交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８の電圧を負荷の電流変化に応じてインピーダンスをつくる。このことにより出力の電圧を約ＤＣ１４０Ｖから約ＤＣ９０Ｖに電圧を低下させる機能を持っている。またダイオードブリッジＳＢ１の両端にサージアブソーバＺ１を組込んでスパイクノイズを減少させている。このコンデンサインプットタイプによる直流点灯回路では、前述した図４のリーケージトランスタイプや次の図７で紹介するインダクタンスインプットタイプに比べ、省スペース、コンパクト化および軽量化が容易に達成できる特徴を持っている。

図６は本発明のコンデンサインプットタイプ（２）の直流電源による直流点灯回路について説明する。ここでは具体的な例として、蛍光灯の１０〜１１０Ｗクラスの直流点灯回路について説明する。この直流点灯回路は直流電源発生回路部で交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８はヒューズＦ１および雑音防止フィルタＮＦ１を通過して、絶縁トランスＴ３の１次側に供給し、２次側に電力を供給する。これ以外の直流電源発生回路部、コントロール電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部については図５のコンデンサインプットタイプの直流点灯回路と同じである。この回路構成によって光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度および雑音端子電圧を低減することができる。特に雑音防止フィルタＮＦ１、絶縁トランスＴ３を組み込むことにより、雑音端子電圧をさらに低減する効果を発揮する。

図７は本発明のインダクタンスインプットタイプ（１）の直流電源による直流点灯回路について説明する。ここでは具体的な例として、蛍光灯の１０〜４０Ｗクラスの直流点灯回路について説明する。この直流点灯回路はインダクタンスを直列に組み込んだ直流電源発生回路部以外、コントロール電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部については図４のリーケージトランスタイプの回路と同じである。この回路構成によって光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度および雑音端子電圧を低減することができる。ここでは直流電源発生回路についてのみを説明する。交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８はヒューズＦ１および雑音防止フィルタＮＦ１を通過してインダクタンスＬ１に接続する。この交流電圧はダイオードブリッジＳＢ１を通過して、全波整流を行ない、電解コンデンサＣ１、抵抗Ｒ２２によって平滑回路が構成される。インダクタンスＬ１は交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８の電圧を負荷電流の変化に応じてインピーダンスをつくる。このことにより出力の電圧を約ＤＣ１４０Ｖから約ＤＣ９０Ｖに電圧を低下させる機能を持っている。またダイオードブリッジＳＢ１の両端にサージアブソーバＺ１を組込んでスパイクノイズを減少させている。

図８は本発明のインダクタンスインプットタイプ（２）の直流電源による直流点灯回路について説明する。ここでは具体的な例として、蛍光灯の１０〜１１０Ｗクラスの直流点灯回路について説明する。この直流点灯回路は直流電源発生回路部で交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）１８はヒューズＦ１および雑音防止フィルタＮＦ１を通過して、絶縁トランスＴ３の１次側に供給し、２次側に電力を供給する。これ以外の直流電源発生回路部、コントロール電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部については図７のインダクタンスインプットタイプの直流点灯回路と同じである。この回路構成によって光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度および雑音端子電圧を低減することができる。特に雑音防止フィルタＮＦ１、絶縁トランスＴ３を組み込むことにより、雑音端子電圧をさらに低減する効果を発揮する。

図９は本発明の蛍光灯を直列に接続した結線図について説明する。蛍光灯ＦＬ１（電極１０、１１、１２、１３、フィラメント１４、１５）、ＦＬ２（電極１０、１１、１２、１３、フィラメント１４、１５）直列に接続されている。この直列に接続された蛍光灯を１台の直流電源、直流点灯回路２７によって点灯させることができるのである。この際、直流電源、直流点灯回路２７は出力電圧、出力電流を適正な値に設定し、対応するものである。従来、インバータ方式点灯回路によって蛍光灯を点灯させる場合、次のような不具合が発生していた。つまり第１として、蛍光灯を２本以上、接近させて点灯させると高周波による相互干渉が発生し、安定した点灯を維持することが難しいのである。第２としてインバータ方式点灯回路は蛍光灯の近くに設置することが必要であった。例えば、インバータ方式点灯回路と蛍光灯を１０数ｍ以上離して点灯させようとすると、長い距離における高周波成分のロスが発生して電力の伝達が難しく、安定した点灯を維持することが難しいのである。これに対して、直流電源による直流点灯回路では次の特徴がある。第１に２本以上の蛍光灯を接近させても安定した点灯を維持できる。第２に直流電源による直流点灯回路と蛍光灯を数１０ｍ離してもケーブルの線間ロスは発生するが、高周波成分によるロスなどの影響がほとんどないために安定した点灯ができる。第３に１台の直流電源による直流点灯回路で複数の蛍光灯を直列に接続して、同時に点灯できるために、ムダな電源装置が不要となるのである。第４に直流電源による直流点灯回路によって面発光が均一で、光リップル（光のチラツキ）が少ない、蛍光灯を密着状態に配置した大きな（面積１ｍ^２以上）面発光装置を作ることができる。

図１０は蛍光灯のスタータ（グロー放電管）方式点灯回路（図２）の光リップル（光のチラツキ）のデータについて説明する。商用電源の周波数（５０／６０Ｈｚ）の影響で照度の光リップル（光のチラツキ）は電圧（Ｖｐ＿ｐ）が６．６Ｖ（オシロスコープのレンジ、Ｖ軸：２．０Ｖ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖ）と大きく変動している。この測定条件は蛍光灯の１０００Ｌｘの位置で、光センサ＋アンプ回路の電圧値をオシロスコープで観測し、（以下の光リップルの測定も同条件で実施している）測定したものである。図１１はインバータ方式点灯回路（図３）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（１）について説明する。光リップル（光のチラツキ）はオシロスコープのレンジ、Ｖ軸：２．０Ｖ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると図１０と比べ、大幅に低減していることが確認できる。図１２もインバータ方式点灯回路（図３）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（２）について説明する。オシロスコープのレンジを変えたもので、光リップル（光のチラツキ）はＶ軸：１００ｍＶ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると電圧（Ｖｐ＿ｐ）が６５０ｍＶとなっている。観測データによって商用電源の周波数（５０／６０Ｈｚ）で照度が変動していると同時に、１００ＫＨｚ程度の高周波成分の変動も含まれる。

図１３はリーケージトランスタイプの直流電源による直流点灯回路（図４）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（１）について説明する。光リップル（光のチラツキ）はオシロスコープのレンジ、Ｖ軸：２．０Ｖ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると図１１と比べ、大幅に低減していることが確認できる。図１４もリーケージトランスタイプの直流電源による直流点灯回路（図４）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（２）について説明する。オシロスコープのレンジを変えたもので、光リップル（光のチラツキ）はＶ軸：１００ｍＶ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると電圧（Ｖｐ＿ｐ）が６０ｍＶとなっている。観測データによって商用電源の周波数（５０／６０Ｈｚ）での照度の変動が著しく減少している。ただし、約３０ＫＨｚ程度の振動が認められる。これは蛍光管の固有振動で管が点灯維持するための放電管特有の特性である。

図１５はコンデンサインプットタイプの直流電源による直流点灯回路（図５）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（１）おについて説明する。光リップル（光のチラツキ）はオシロスコープのレンジ、Ｖ軸：２．０Ｖ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると図１１と比べ、大幅に低減していることが確認できる。図１６もコンデンサインプットタイプの直流電源による直流点灯回路（図５）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（２）について説明する。オシロスコープのレンジを変えたもので、光リップル（光のチラツキ）はＶ軸：１００ｍＶ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると電圧（Ｖｐ＿ｐ）が５５ｍＶとなっている。観測データによって商用電源の周波数（５０／６０Ｈｚ）での照度の変動が著しく減少していることが確認できる。図１７は蛍光灯の直流電源による直流点灯回路では蛍光灯の管端部の片側で黒化現象（カタホレシス現象）が発生するために、定期的に極性切換えを実施する必要がある。この際の光リップル（光のチラツキ）のデータ（３）はオシロスコープのレンジ、Ｖ軸：２．０Ｖ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５０ｍＳ／ｄｉｖで測定すると電圧（Ｖｐ＿ｐ）が５．４Ｖとなっている。

図１８はインダクタンスインプットタイプの直流電源による直流点灯回路（図７）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（１）について説明する。光リップル（光のチラツキ）はオシロスコープのレンジ、Ｖ軸：２．０Ｖ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると図１１と比べ、大幅に低減していることが確認できる。図１９もインダクタンスインプットタイプの直流電源による直流点灯回路（図７）の光リップル（光のチラツキ）のデータ（２）について説明する。オシロスコープのレンジを変えたもので、光リップル（光のチラツキ）はＶ軸：１００ｍＶ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると電圧（Ｖｐ＿ｐ）が８０ｍＶとなっている。観測データによって商用電源の周波数（５０／６０Ｈｚ）での照度の変動が著しく減少していることが確認できる。図２０は図７のヒータ回路でスイッチＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦにした場合に測定したもので、光リップル（光のチラツキ）のデータ（３）はＶ軸：１００ｍＶ／ｄｉｖ、Ｈ軸：５ｍＳ／ｄｉｖで測定すると電圧（Ｖｐ＿ｐ）が６５ｍＶとなっている。図１９の場合と比べて電圧（Ｖｐ＿ｐ）が１５ｍＶ低減し、光リップル（光のチラツキ）が改善されている。

図２１はスタータ（グロー放電管）方式点灯回路の放射電界強度（水平時）で、かなり低く押さえられている。（この測定データは無線周波数における、不要電磁波の許容値と測定法を定める国際規格ＣＩＳＰＲ Ｐｕｂ．２２ ＣｌａｓｓＢ １０ｍ（情報技術装置に関する規格）に基づいたものである。以下の測定条件も同じである）。図２２はスタータ（グロー放電管）方式点灯回路の放射電界強度（垂直時）で、かなり低く押さえられている。図２３はインバータ方式点灯回路の放射電界強度（水平時）で、かなり低く押さえられている。図２４はインバータ方式点灯回路の放射電界強度（垂直時）で、かなり低く押さえられている。図２５はリーケージトランスタイプ直流点灯回路の放射電界強度（水平時）で、かなり低く押さえられている。図２６はリーケージトランスタイプ直流点灯回路の放射電界強度（垂直時）で、かなり低く押さえられている。

図２７はコンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の放射電界強度（水平時）で、一部でノイズレベルが上がっているところもあるが、かなり低く押さえられている。図２８はコンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の放射電界強度（垂直時）で、３０〜６５ＭＨｚでノイズレベルが上がっているところもあるが、かなり低く押さえられている。図２９はインダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の放射電界強度（水平時）で、かなり低く押さえられている。図３０はインダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の放射電界強度（垂直時）で、４８ＭＨｚ付近で限界値を超えるが、かなり低く押さえられている。

図３１はスタータ（グロー放電管）方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｎ極側）で、３００ＫＨｚから３０ＭＨｚのノイズレベルが高くなっている。（この測定データは無線周波数における、不要電磁波の許容値と測定法を定める国際規格ＣＩＳＰＲ ２２ ＣｌａｓｓＢ（情報技術装置に関する規格）に基づいたものである。以下の測定条件も同じである）。図３２はスタータ（グロー放電管）方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｌ１極側）で、２５０ＫＨｚから９ＭＨｚのノイズレベルが高くなっている。図３３はインバータ方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｎ極側）で、１５０ＫＨｚから１ＭＨｚのノイズレベルが高くなっている。図３４はインバータ方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｌ１極側）で、１５０ＫＨｚから１．１ＭＨｚのノイズレベルが高くなっている。図３５はリーケージトランスタイプの雑音端子電圧（Ｎ極側）で、１５０ＫＨｚ付近でノイズレベルが高くなっているが、かなり低く押さえられている。図３６はリーケージトランスタイプの雑音端子電圧（Ｌ１極側）で、１５０ＫＨｚ付近でノイズレベルが高くなっているが、かなり低く押さえられている。

図３７はコンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の雑音端子電圧（Ｎ極側）で、数ヶ所でノイズレベルが高くなっているがその他の帯域では低く押さえられている。図３８はコンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の雑音端子電圧（Ｌ１極側）で、数ヶ所でノイズレベルが高くなっているがその他の帯域では低く押さえられている。図３９インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の雑音端子電圧（Ｎ極側）で、１５０ＫＨｚ〜１ＭＨｚでノイズレベルが高くなっている。図４０はインダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の雑音端子電圧（Ｌ１極側）は１５０ＫＨｚ〜１ＭＨｚでノイズレベルが高くなっている。

蛍光灯は私達の生活にはなくてはならない、大切な照明器具となっている。家庭内、事務所、工場、野外外灯などあらゆる場所で利用されている。従来は交流電源（低周波、高周波）を利用してきたため、光の質的な面においては十分満足できるものではなかった。直流電源による直流点灯回路によって光リップル（光のチラツキ）、放射電界強度、雑音端子電圧および漏洩電流を大幅に低減することができる。これによって眼精疲労の低減、放射電界強度による人体への影響を低減できるのである。さらに製造現場における精密部品、プリント基板などの目視検査、高感度ＣＣＤカメラの検査工程また複写機やファクシミリの光源など幅広い分野で利用が可能となる。さらにいままで使用が厳しく制限されていた病院内の検査室の照明装置などに利用できる可能性が出てきたのである。

は蛍光灯の発光原理（モデル図）（一部断面図）である。（１）は正面図を示す図 （２）は（１）の平面図を示す図 （３）は（１）の左側面図を示す図 （４）は（１）の右側面図を示す図 （５）は（１）のＡ−Ａ断面図を示す図 （６）は（１）のＢ−Ｂ断面図を示す図 は蛍光灯のスタータ（グロー放電管）方式点灯回路による点灯方式（一部断面図）である。 は蛍光灯のインバータ方式点灯回路による点灯方式（一部断面図）である。 はリーケージトランスタイプの直流電源による直流点灯回路を示す図である。 はコンデンサインプットタイプ（１）の直流電源による直流点灯回路を示す図である。 はコンデンサインプットタイプ（２）の直流電源による直流点灯回路を示す図である。 はインダクタンスインプットタイプ（１）の直流電源による直流点灯回路を示す図である。 はインダクタンスインプットタイプ（２）の直流電源による直流点灯回路を示す図である。 は蛍光灯を直列に接続した結線図を示す図である。 スタータ（グロー放電管）方式点灯回路の光リップルのデータを示す図である。 インバータ方式点灯回路の光リップルのデータ（１）を示す図である。 インバータ方式点灯回路の光リップルのデータ（２）を示す図である。 リーケージトランスタイプ直流点灯回路の光リップルのデータ（１）を示す図である。 リーケージトランスタイプ直流点灯回路の光リップルのデータ（２）を示す図である。 コンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の光リップルのデータ（１）を示す図である。 コンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の光リップルのデータ（２）を示す図である。 コンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５、極性切換ノイズ）の光リップルのデータ（３）を示す図である。 インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の光リップルのデータ（１）を示す図である。 インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の光リップルのデータ（２）を示す図である。 インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７、ＳＷ１、ＳＷ２ＯＦＦ）の光リップルのデータ（３）を示す図である。 スタータ（グロー放電管）方式点灯回路の放射電界強度（水平時）のデータを示す図である。 スタータ（グロー放電管）方式点灯回路の放射電界強度（垂直時）のデータを示す図である。 インバータ方式点灯回路の放射電界強度（水平時）のデータを示す図である。 インバータ方式点灯回路の放射電界強度（垂直時）のデータを示す図である。 リーケージトランスタイプ直流点灯回路の放射電界強度（水平時）のデータを示す図である。 リーケージトランスタイプ直流点灯回路の放射電界強度（垂直時）のデータを示す図である。 コンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の放射電界強度（水平時）のデータを示す図である。 コンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の放射電界強度（垂直時）のデータを示す図である。 インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の放射電界強度（水平時）のデータを示す図である。 インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の放射電界強度（垂直時）のデータを示す図である。 スタータ（グロー放電管）方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｎ極側）のデータを示す図である。 スタータ（グロー放電管）方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｌ１極側）のデータを示す図である。 インバータ方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｎ極側）のデータを示す図である。 インバータ方式点灯回路の雑音端子電圧（Ｌ１極側）のデータを示す図である。 リーケージトランスタイプ直流点灯回路の雑音端子電圧（Ｎ極側）のデータを示す図である。 リーケージトランスタイプ直流点灯回路の雑音端子電圧（Ｌ１極側）のデータを示す図である。 コンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の雑音端子電圧（Ｎ極側）のデータを示す図である。 コンデンサインプットタイプ直流点灯回路（図５）の雑音端子電圧（Ｌ１極側）のデータを示す図である。 インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の雑音端子電圧（Ｎ極側）のデータを示す図である。 インダクタンスインプットタイプ直流点灯回路（図７）の雑音端子電圧（Ｌ１極側）のデータを示す図である。

符号の説明

１ 蛍光灯
２ ガラス管
４ 蛍光面
７ 電子
８ 水銀粒子
９ 紫外線
１０ 電極
１１ 電極
１４ フィラメント
１６ スタータ（グロー放電管）
１７ 安定器（インダクタンス）
１８ 交流電源（ＡＣ１００Ｖ５０／６０Ｈｚ）
２６ インバータ点灯回路
２７ 直流電源、直流点灯回路
ＦＬ１ 蛍光灯
Ｔ１ リーケージトランス
Ｔ２ トランス
Ｔ３ 絶縁トランス
Ｆ１ ヒューズ
ＮＦ１ 雑音防止フィルター
Ｕ１ オペアンプ
Ｕ３ タイマーＩＣ
Ｑ１ ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）
Ｑ５ トランジスタ
ＲＹ１ リレー
ＴＧ１ トリガートランス
ＳＷ１ スイッチ
ＰＨ１ フォトカプラ（フォトボル出力）
ＳＢ１ ダイオードブリッジ
Ｚ１ サージアブソーバ
Ｄ１ サイダック
Ｄ２ ダイオード
ＺＤ１ ツェナーダイオード
ＲＧ１ ３端子レギュレータ
Ｃ１ 電解コンデンサ
Ｃ５ コンデンサ
Ｒ１ 抵抗
ＶＲ１ 可変抵抗器
Ｌ１ インダクタンス

Claims (7)

1. 蛍光灯を点灯する回路として、交流入力部にリーケージトランスを配置した直流電圧発生回路部、コントロール回路用電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部の回路を構成したことを特徴とする蛍光灯の直流点灯装置。
2. 蛍光灯を点灯する回路として、交流入力部にコンデンサーを直列に配置した直流電圧発生回路部、コントロール回路用電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部の回路を構成したことを特徴とする蛍光灯の直流点灯装置。
3. 蛍光灯を点灯する回路として、交流入力部に雑音防止フィルタと絶縁トランスを配置し、さらにコンデンサーを直列に配置した直流電圧発生回路部、コントロール回路用電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部の回路を構成したことを特徴とする蛍光灯の直流点灯装置。
4. 蛍光灯を点灯する回路として、交流入力部にインダクタンスを配置した直流電圧発生回路部、コントロール回路用電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部の回路を構成したことを特徴とする蛍光灯の直流点灯装置。
5. 蛍光灯を点灯する回路として、交流入力部に雑音防止フィルタと絶縁トランスを配置し、さらにインダクタンスを配置した直流電圧発生回路部、コントロール回路用電源部、ヒータ回路部、電流検出回路部、極性切換回路部、極性切換コントロール回路部、タイマー回路部、スタータ回路部、定電流回路部の回路を構成したことを特徴とする蛍光灯の直流点灯装置。
6. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５において、ヒータ回路部のヒータ回路をスイッチまたは半導体により遮断する機能を持たせたことを特徴とする蛍光灯の直流点灯装置。
7. 蛍光灯を点灯させる場合、直流電源による直流点灯回路で、蛍光灯を直列に接続して、複数本の蛍光灯を直流電源１台で点灯することが可能となり、安定した点灯ができることを特徴とする蛍光灯の直流点灯装置。

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