JP4405396B2 - 放電ランプを動作させるための回路 - Google Patents

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Description

本発明は、
− 供給電圧源に接続するための入力端子と、
− 第1のスイッチ要素と第2のスイッチ要素とを含み、上記の入力端子同士を接続する直列構成Iと、
− 第1のスイッチ要素および第2のスイッチ要素の導電状態を制御するため、第1のスイッチ要素および第2のスイッチ要素のそれぞれの制御電極に接続された制御回路と、
− 第1の回路要素Aと第2の回路要素Bとを含み、上記の入力端子同士を接続する直列構成IIと、
− 第1の安定器インダクタと第1のランプ接続端子とを含み、直列構成Iのスイッチ要素間の端子N1を、直列構成IIの第1の回路要素Aと第2の回路要素Bとの間の端子へと接続する第1の抵抗回路とを含む、ランプ抵抗を動作させるための回路に関するものである。
上記のような回路は、ブリッジタイプの直流/交流変換器であり、高圧放電ランプと低圧放電ランプとのいずれの動作にも、よく利用される。この回路は、フルブリッジであってもよいし、ハーフブリッジであってもよい。ハーフブリッジでは、第1の回路要素Aおよび第2の回路要素Bが共にコンデンサにより形成されるので、2つのみのスイッチ要素を含む。しかしながら、フルブリッジでは、第1の回路要素Aおよび第2の回路要素Bが、第3および第4のスイッチ要素によって形成されるので、4つのスイッチ要素を含む。フルブリッジでは、2つのみのスイッチ要素に代えて、4つのスイッチ要素の導電状態が制御されなくてはならないので、ハーフブリッジよりも制御回路が複雑である。動作中において、フルブリッジ内の抵抗回路にかかる電圧の振幅は、同一の供給電圧源により電力供給されるハーフブリッジにおける振幅の2倍の大きさとなる。その結果、フルブリッジは、2つのランプを、各ランプが同量の電流を担うように直列動作させるのに使用することができる。低圧放電ランプの場合は通常そうであるように、これらのランプがほぼ同じランプ電圧を有する場合には、これらのランプはほぼ同量の電力を消費し、ほぼ同一の光出力を有する。しかしながら、高圧放電ランプの場合は、ランプ電圧は、ランプの年齢(年齢=点灯時間数)に大きく依存する。その結果、2つのランプの年齢が異なる場合、直列動作させられているそれら2つの高圧ランプの光出力が、実質的に異なることもある。同一の供給電圧源により電力供給されるハーフブリッジの抵抗回路にかかる電圧は、一般的には、上記のようなランプの直列構成を動作させるのに十分高い電圧ではない。フルブリッジの1つの欠点は、2つの追加スイッチおよびより複雑な制御回路のために、ハーフブリッジよりも高コストな点である。2つのランプをフルブリッジ内で直列動作させる代わりとして、各々がランプと安定器インダクタとを含む2つの抵抗回路を、ハーフブリッジ内において並列接続することも可能である。ランプが、高周波数のランプ電流で動作させられている低圧水銀ランプである場合には、等化変圧器を利用することにより、ランプ電流が実質的に等しい値となるように制御することができる。しかしながら、かかる変圧器は高価な構成要素である。ランプが、低周波交流電流によって動作させられる高圧ランプである場合には、低い周波数は非常に大きな変圧器を必要とするので、等化変圧器を用いてランプ電流を制御することはできない。しかしながら、等化変圧器が利用されないと、ランプ間のランプ電圧の差が、実用上、ランプに供給される電力量の実質的な差を招くことが多い。
本発明は、2つのランプにより消費される電力の差が比較的小さくなるような方法で、2つのランプを並列動作させることのできる回路を提供することを目的とする。
上記の目的のため、本発明では、冒頭の段落で述べたような回路が、
− 端子N1と、第1のダイオードD1と、第2のダイオードD2とを含み、上記の第1のスイッチ要素と第2のスイッチ要素とを接続する直列構成IIIであって、端子N1が、第1のダイオードD1と第2のダイオードD2との間に配されている直列構成IIIと、
− 第3のダイオードD3と、第4のダイオードD4とを含み、上記の第1のスイッチ要素と第2のスイッチ要素とを接続する直列構成IVと、
− 第1のスイッチ要素およびダイオードD1を分流する第5のダイオードD5と、
− 第1のスイッチ要素およびダイオードD3を分流する第6のダイオードD6と、
− 第2のスイッチ要素およびダイオードD2を分流する第7のダイオードD7と、
− 第2のスイッチ要素およびダイオードD4を分流する第8のダイオードD8と、
− 第2の安定器インダクタと第2のランプ接続端子とを含み、直列構成IVの、第3のダイオードD3と第4のダイオードD4との間に配された端子N2を、直列構成IIの第1の回路要素Aと第2の回路要素Bとの間の端子へと接続する第2の抵抗回路とを含むことを特徴とする。
本発明に係る回路内の導電状態にあるスイッチ要素が非導電状態とされると、第1および第2の抵抗回路内の電流の振幅が減少している間において、それら第1および第2の抵抗回路中の安定器インダクタが、短い経過時間に亘ってそれら抵抗回路内の電流の極性を維持させる。この経過時間の間、抵抗回路の電流は、「環流ダイオード(free wheel diodes)」を形成するダイオードD5−D8の一部によって伝導される。本発明に係る回路内では、スイッチ要素が非導電状態とされた直後の、各抵抗回路内の電流は、異なる「環流ダイオード」を通って流れている。その結果、2つのランプは、互いに独立に動作させられる。この独立動作のため、ランプ電圧の差は、ランプにより消費される電力量の間に実質的な差を生じさせないことが分かった。
ここで、本発明に係る回路は、2つより多くのランプの並列動作にも適するようにすることができる点に留意されたい。各追加のランプに対して、さらに4つのダイオードと、1つの追加の抵抗回路とが、回路内に組み込まれなくてはならない。たとえば、3つのランプの並列動作は、以下のようにして実現することができる。回路は、第1のスイッチ要素と第2のスイッチ要素とを接続し、さらなる2つのダイオードを含む、さらなる直列構成Vを備えることとなる。2つの追加のダイオードがそれぞれ、さらなる1つのダイオードとスイッチ要素のうちの1つとを分流する。さらに、第3の安定器インダクタと第3のランプ接続端子とを含む第3の抵抗回路が、上記のさらなる2つのダイオード間の端子を、第1の回路要素Aと第2の回路要素Bとの間の端子へと接続する。
第1の回路要素Aおよび第2の回路要素Bが、それぞれコンデンサを含んでいる本発明に係る回路の実施形態については、良好な結果が得られた。かかる実施形態は、比較的低コストのハーフブリッジ回路である。さらに特記すべきこととして、かかる実施形態は、当該回路を第1および第2の動作状態に低周波数で交互に動作させる手段が、制御回路に設けられており、第1の動作状態において、第1のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされる一方、第2のスイッチ要素が非導電状態に維持され、第2の動作状態において、第2のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされる一方、第1のスイッチ要素が非導電状態に維持される場合において、高圧放電ランプを並列動作させるのに、非常に適していることが分かった。この動作モードは、一般に「順方向整流(commutating forward)」と呼ばれる。好ましくは、第1の動作状態における各高周波数周期において第1のスイッチ要素が導電状態とされ、第2の動作状態における各高周波数周期において第2のスイッチ要素が導電状態とされる経過時間を調整することにより、両ランプにより消費される合計電力の平均値を所望の値に制御する電力制御ループが、当該回路に設けられる。かかる電力制御ループは、当該回路の構成要素中の許容誤差を補償する。
また、第1の回路要素が第3のスイッチ要素を含み、第2の回路要素が第4のスイッチ要素を含み、制御回路が、第3および第4のスイッチ要素の導電状態を制御するため、第3および第4のスイッチ要素のそれぞれの制御電極に接続されている、本発明に係る回路の実施形態についても、良好な結果が得られた。かかる実施形態は、高いランプ電圧を有する複数のランプの互いに独立した並列動作、あるいは(類似のランプ電圧を有する)ランプの2つ以上の直列構成の並列動作を可能とする、フルブリッジ回路である。さらに、本発明に係る回路のこれらの実施形態については、当該回路を第1および第2の動作状態に低周波数で交互に動作させる手段が、制御回路に設けられており、第1の動作状態において、第2および第3のスイッチ要素が非導電状態に維持される一方、第4のスイッチ要素が導電状態に維持され、かつ第1のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされ、第2の動作状態において、第3のスイッチ要素が導電状態に維持される一方、第2のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされ、かつ第1および第4のスイッチ要素が非導電状態に維持される場合において、高圧放電ランプを並列動作させるのに、これらの実施形態が特に適していることが分かった。また、これらの実施形態においても、当該回路の構成要素中の許容誤差を補償する電力制御ループが、当該回路に設けられていることが望ましい。
以下、本発明に係る回路の実施形態を、図面を参照しながらさらに説明する。
図1において、K1およびK2は、供給電圧源に接続するための入力端子である。入力端子K1とK2とは、第1のスイッチ要素T1と、ダイオードD1と、端子N1と、ダイオードD2と、スイッチ要素T2との直列構成によって接続されている。ダイオードD1およびD2は、それぞれ第1および第2のダイオードを形成する。また、ダイオードD1およびD2は、端子N1と共に、第1のスイッチ要素と第2のスイッチ要素とを接続する直列構成IIIを形成する。直列構成IIIは、ダイオードD3と、端子N2と、ダイオードD4との直列構成により分流されている。ダイオードD3およびD4は、それぞれ第3および第4のダイオードを形成する。また、ダイオードD3およびD4は、端子N2と共に、第1のスイッチ要素と第2のスイッチ要素とを接続する直列構成IVを形成する。第1のスイッチ要素T1、第2のスイッチ要素T2、および直列構成IIIとIVとの並列構成は、全体で直列構成Iを形成する。ダイオードD1と第1のスイッチ要素T1との直列構成は、第5のダイオードを形成するダイオードD5によって分流されている。ダイオードD3と第1のスイッチ要素T1との直列構成は、第6のダイオードを形成するダイオードD6によって分流されている。ダイオードD2と第2のスイッチ要素T2との直列構成は、第7のダイオードを形成するダイオードD7によって分流されている。ダイオードD4と第2のスイッチ要素T2との直列構成は、第8のダイオードを形成するダイオードD8によって分流されている。第1および第2のスイッチ要素のそれぞれの制御電極は、回路部分CCの出力端子に接続されている。図1では、この接続は点線で示されている。回路部分CCは、第1および第2のスイッチ要素の導電状態を制御する、制御回路である。ダイオードD5からD8のうちどれが電流を担っており、どのダイオードが非導電状態にあるかを、制御回路CCが監視することを可能とするために、制御回路CCの入力端子は、ダイオードD5からD8にも接続されている。点線が多数となることにより図1が不明確になることを避けるために、この接続は図1には図示されていない。入力端子K1とK2とはまた、コンデンサC3とC4との直列構成によっても接続されている。コンデンサC3およびC4は、それぞれ第1の回路要素Aおよび第2の回路要素Bを形成する。端子N1は、第1の安定器インダクタL1と、第1のランプ接続端子K3と、高圧放電ランプLA1と、第1のランプ接続端子K4との直列構成によって、コンデンサC3とC4との共通端子に接続されている。第1のランプ接続端子K3とK4とは、フィルタコンデンサC1によって接続されている。第1の安定器インダクタL1、第1のランプ接続端子K3ならびにK4、高圧放電ランプLA1、およびフィルタコンデンサC1は、全体で第1の抵抗回路を形成する。端子N2は、第2の安定器インダクタL2と、第2のランプ接続端子K5と、高圧放電ランプLA2と、第2のランプ接続端子K6との直列構成によって、コンデンサC3とC4との共通端子に接続されている。第2のランプ接続端子K5とK6とは、フィルタコンデンサC2によって接続されている。第2の安定器インダクタL2、第2のランプ接続端子K5ならびにK6、高圧放電ランプLA2、およびフィルタコンデンサC2は、全体で第2の抵抗回路を形成する。
図1に示した回路の動作は以下のとおりである。直流供給電圧を供給する供給電圧源に入力端子K1およびK2が接続されると、制御回路CCは、当該回路を第1および第2の動作状態に低周波数で交互に動作させる。第1の動作状態においては、第1のスイッチ要素T1が高周波数で導電状態および非導電状態とされる一方、第2のスイッチ要素T2が非導電状態に維持される。第1のスイッチ要素T1が導電状態にあるときは、第1の安定器インダクタを流れる電流は、時間に対して線形的に増加する。同様に、第2の安定器インダクタを流れる電流も、時間に対して線形的に増加する。しかしながら、LA1およびLA2はいずれも高圧ランプであるので、たとえば年齢(年齢=点灯時間数)の差のため、LA1とLA2とのランプ電圧は相当異なるかもしれない。たとえばランプLA1がランプLA2よりもずっと低いランプ電圧を有する場合には、第1の安定器インダクタL1を流れる電流が、第2の安定器インダクタL2を流れる電流よりも速く増加する。その結果、第1のスイッチ要素が非導電状態とされたとき、第1の安定器インダクタL1を流れる電流は、第2の安定器インダクタL2を流れる電流よりも大きな振幅を有することとなる。第1のスイッチ要素T1が非導電状態とされた後は、ダイオードD7が第1の安定器インダクタL1を流れる電流を伝導し、ダイオードD8が第2の安定器インダクタL2を流れる電流を伝導する。第1および第2の安定器インダクタL1およびL2を流れる電流の極性は維持されるが、それら電流の振幅は線形的に減少する。第1のスイッチ要素T1が非導電状態とされたときにおいて、第2の安定器インダクタを流れる電流の振幅が、第1の安定器インダクタを流れる電流の振幅よりも小さかったので、第2の安定器インダクタを流れる電流の振幅は先にゼロまで落ち、ダイオードD8は、ダイオードD7が依然として導電状態にある間に非導電状態となる。寄生容量の存在のためいくらかの減衰リンギングが生じるが、第1の安定器インダクタを流れる電流もゼロに到達してダイオードD7が導電しなくなるまで、第2の安定器インダクタを流れる電流の振幅は、実質的にゼロに等しく保たれる。ダイオードD7を流れる電流とダイオードD8を流れる電流との両方がゼロまで落ちると、第1のスイッチ要素が、再び導電状態とされる。このことは、両ダイオードが非導電状態となった直後に行われてもよいし(この動作モードは、臨界不連続モードと呼ばれる)、あるいは両ダイオードが非導電状態となった後、予め決められた経過時間が経過した後に行われてもよい(この動作モードは、不連続モードと呼ばれる)。
図1に示す回路では、第1の安定器インダクタL1を流れる電流がゼロまで落ちるのに必要とされる時間間隔が、第2の安定器インダクタL2を流れる電流がゼロまで落ちるのに必要とされる時間間隔と異なるかもしれない(実際上は、ほぼ常に異なる)ので、高圧ランプLA1の動作は、高圧ランプLA2の動作から独立した動作となる。この2つのランプの独立動作は、たとえ両ランプが異なる年齢(=異なる点灯時間数)のために実質的に異なるランプ電圧を有している場合であっても、両ランプにより消費される電力量の差を比較的わずかな差とする。各安定器インダクタ内の電流は、三角波形状を有する。これらの三角波形状の電流は、フィルタコンデンサC1およびC2によって、ランプLA1およびLA2を流れる連続的な直流電流に変換される。
第2の動作状態においては、第1のスイッチ要素が非導電状態に維持される一方、第2のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされる。第2のスイッチ要素が非導電状態にあるときは、ダイオードD5が第1の安定器インダクタL1を流れる電流を伝導し、ダイオードD6が第2の安定器インダクタL2を流れる電流を伝導する。ダイオードD5とダイオードD6との両方が非導電状態となった後においてのみ(直後であってもよいし、予め決められた経過時間の経過後であってもよい)、第2のスイッチ要素T2は再び導電状態とされる。この第2の動作状態においても、各安定器インダクタ内の電流は、三角波形状を有する。これらの三角波形状の電流は、フィルタコンデンサC1およびC2によって、ランプLA1およびLA2を流れる連続的な直流電流に変換される。ランプおよび安定器インダクタを流れる電流の極性は、第1の動作状態に対して反転させられる。
図2では、図1の実施形態における類似の回路部分および構成要素に対応する回路部分および構成要素は、同じ参照番号を付されている。図2に示した実施形態の構成は、コンデンサC3およびC4が、それぞれ第3のスイッチ要素T3および第4のスイッチ要素T4に置き換えられている点においてのみ、図1の実施形態と異なる。図2に示した実施形態では、第3のスイッチ要素T3および第4のスイッチ要素T4は、それぞれ第1の回路要素Aおよび第2の回路要素Bを形成する。また、第3のスイッチ要素T3および第4のスイッチ要素T4は、全体で、入力端子同士を接続する直列構成IIを形成する。第3のスイッチ要素T3および第4のスイッチ要素T4のそれぞれの制御電極は、制御回路CCの出力端子に接続されている。図2では、この接続は点線で示されている。どのダイオードが電流を伝導しており、どのダイオードが非導電状態にあるかを監視するために、制御回路CCのそれぞれの入力端子は、ダイオードD5からD8に接続されている。図2でも、これらの接続は図示されていない。
図2に示した回路の動作は以下のとおりである。直流供給電圧を供給する供給電圧源に入力端子K1およびK2が接続されると、制御回路CCは、当該回路を第1および第2の動作状態に低周波数で交互に動作させる。
第1の動作状態においては、スイッチ要素T2およびT3が非導電状態に維持される一方、スイッチ要素T4が導電状態に維持され、スイッチ要素T1が高周波数で導電状態および非導電状態とされる。第2の動作状態では、スイッチ要素T3が導電状態に維持される一方、スイッチ要素T2が高周波数で導電状態および非導電状態とされ、スイッチ要素T1およびT4が非導電状態に維持される。図2に示した回路はフルブリッジ回路であるので、動作中において抵抗回路にかかる電圧は、図1に示したハーフブリッジ回路内の抵抗回路にかかる電圧の2倍の大きさとなる。それ以外の点においては、図2に示した実施形態の動作は、図1に示した回路の動作と完全に類似している。2つの動作状態の各々において、この回路は臨界不連続モードまたは不連続モードのいずれかで動作させられ、その結果、安定器インダクタを流れる三角波形状の電流をもたらす。この三角波形状の電流は、フィルタコンデンサC1およびC2によって連続的な直流ランプ電流に変換される。この実施形態でも、第1の動作状態においては、ダイオードD7およびD8の両方が非導電状態となった後にのみスイッチ要素T1を導電状態とさせることにより、ランプの独立動作が保証され、また、第2の動作状態においては、ダイオードD5およびD6の両方が非導電状態となった後にのみスイッチ要素T2を導電状態とさせることにより、ランプの独立動作が保証される。
ここで、実際上は、図1に示した実施形態と図2に示した実施形態とのいずれについても、第1の動作状態における各高周波周期において第1のスイッチ要素が導電状態とされ、第2の動作状態における各高周波周期において第2のスイッチ要素が導電状態とされる経過時間を調整することにより、両ランプにより消費される合計電力の平均値を所望の値に制御するために、電力制御ループを設置することが望ましい点に留意されたい。かかる電力制御ループは、本発明の技術分野において非常によく知られている。異なる実用上の形態において使用される類似の構成要素の電気的特性は異なるかもしれないが、上記の電力制御ループは、同一の回路構成の異なる実用上の形態により消費される合計電力量が、略同一になるように保証する。
2つのランプが接続された、本発明に係る回路の第1の実施形態を示した図 2つのランプが接続された、本発明に係る回路の第2の実施形態を示した図

Claims (6)

  1. − 供給電圧源に接続するための入力端子と、
    − 第1のスイッチ要素と第2のスイッチ要素とを含み、前記入力端子同士を接続する直列構成Iと、
    − 前記第1のスイッチ要素および前記第2のスイッチ要素の導電状態を制御するため、該第1のスイッチ要素および該第2のスイッチ要素のそれぞれの制御電極に接続された制御回路と、
    − 第1の回路要素Aと第2の回路要素Bとを含み、前記入力端子同士を接続する直列構成IIと、
    − 第1の安定器インダクタと第1のランプ接続端子とを含み、前記直列構成Iの前記スイッチ要素間の端子N1を、前記直列構成IIの前記第1の回路要素Aと前記第2の回路要素Bとの間の端子へと接続する第1の抵抗回路とを含む、ランプ抵抗を動作させるための回路であって、
    − 前記端子N1と、第1のダイオードD1と、第2のダイオードD2とを含み、前記第1のスイッチ要素と前記第2のスイッチ要素とを接続する直列構成IIIであって、前記端子N1が、前記第1のダイオードD1と前記第2のダイオードD2との間に配されており、前記第1のダイオードD1および前記第2のダイオードD2の順方向が、前記第1のスイッチ要素から前記第2のスイッチ要素へと向かう方向と一致させられている直列構成IIIと、
    − 第3のダイオードD3と、第4のダイオードD4とを含み、前記第1のスイッチ要素と前記第2のスイッチ要素とを接続し、前記第3のダイオードD3および前記第4のダイオードD4の順方向が、前記第1のスイッチ要素から前記第2のスイッチ要素へと向かう方向と一致させられている直列構成IVと、
    − 前記第1のスイッチ要素および前記ダイオードD1を分流する第5のダイオードD5であって、前記ダイオードD1と前記ダイオードD2との間の分流点から電流が流出する方向が順方向とされているダイオードD5と、
    − 前記第1のスイッチ要素および前記ダイオードD3を分流する第6のダイオードD6であって、前記ダイオードD3と前記ダイオードD4との間の分流点から電流が流出する方向が順方向とされているダイオードD6と、
    − 前記第2のスイッチ要素および前記ダイオードD2を分流する第7のダイオードD7であって、前記ダイオードD1と前記ダイオードD2との間の分流点に電流が流入する方向が順方向とされているダイオードD7と、
    − 前記第2のスイッチ要素および前記ダイオードD4を分流する第8のダイオードD8であって、前記ダイオードD3と前記ダイオードD4との間の分流点に電流が流入する方向が順方向とされているダイオードD8と、
    − 第2の安定器インダクタと第2のランプ接続端子とを含み、前記直列構成IVの、前記第3のダイオードD3と前記第4のダイオードD4との間に配された端子N2を、前記直列構成IIの前記第1の回路要素Aと前記第2の回路要素Bとの間の端子へと接続する第2の抵抗回路とを含むことを特徴とする回路。
  2. 前記第1の回路要素Aおよび前記第2の回路要素Bが、それぞれコンデンサを含んでいることを特徴とする請求項1記載の回路。
  3. 前記第1の回路要素Aが第3のスイッチ要素を含み、前記第2の回路要素Bが第4のスイッチ要素を含み、前記制御回路が、前記第3のスイッチ要素および前記第4のスイッチ要素の導電状態を制御するため、該第3のスイッチ要素および該第4のスイッチ要素のそれぞれの制御電極に接続されていることを特徴とする請求項1記載の回路。
  4. 当該回路を第1の動作状態および第2の動作状態に低周波数で交互に動作させる手段が、前記制御回路に設けられており、前記第1の動作状態において、前記第1のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされる一方、前記第2のスイッチ要素が非導電状態に維持され、前記第2の動作状態において、前記第2のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされる一方、前記第1のスイッチ要素が非導電状態に維持されることを特徴とする請求項2記載の回路。
  5. 当該回路を第1の動作状態および第2の動作状態に低周波数で交互に動作させる手段が、前記制御回路に設けられており、前記第1の動作状態において、前記第2のスイッチ要素および前記第3のスイッチ要素が非導電状態に維持される一方、前記第4のスイッチ要素が導電状態に維持され、かつ前記第1のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされ、前記第2の動作状態において、前記第3のスイッチ要素が導電状態に維持される一方、前記第2のスイッチ要素が高周波数で導電状態および非導電状態とされ、かつ前記第1のスイッチ要素および前記第4のスイッチ要素が非導電状態に維持されることを特徴とする請求項3記載の回路。
  6. 前記第1の動作状態における各高周波数周期において前記第1のスイッチ要素が導電状態とされ、前記第2の動作状態における各高周波数周期において前記第2のスイッチ要素が導電状態とされる経過時間を調整することにより、両ランプにより消費される合計電力の平均値を所望の値に制御する電力制御ループが、当該回路に設けられていることを特徴とする請求項4または5記載の回路。
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