Линейное и эффективное управление током через несколько светодиодов

У меня около 100 инфракрасных светодиодов, к каждому из которых примыкает фототранзистор для обнаружения небольших различий в расстоянии нескольких объектов ( QRE1113 ).

Поскольку материалы объектов различаются, я хочу иметь возможность калибровать интенсивность каждого излучателя отдельно, чтобы компенсировать это. Поскольку выход каждого фототранзистора измеряется с очень высокой частотой дискретизации (~ 50 тыс./с), я не могу использовать ШИМ-контроллер, так как он обычно работает на частоте около 20 кГц и поэтому должен напрямую управлять током, протекающим через каждый ИК-излучатель.

Поскольку я хотел бы выполнить эту фазу калибровки через I2C, моя идея состояла в том, чтобы использовать цифровой потенциометр, такой как MCP4451, в качестве реостата. Он имеет 4 канала, поэтому я решил использовать его в качестве токоограничивающего резистора для 4 светодиодов. Хотя с одной стороны это привлекательно (низкая цена, простота настройки), я вижу две основные проблемы:

1. Все доступные цифровые потенциометры имеют диапазон не менее 5 кОм. Мне нужен диапазон около 400 Ом. Используя параллельный резистор, я мог бы регулировать диапазон, но результирующий диапазон больше не был бы линейным. Хотя идеальная линейность не требуется, я хочу иметь возможность делать разумные корректировки во всех областях, а не только на низком токе.

2. Эффективность. Я питаю все это от источника 5 В, и без калибровочного оборудования я смог подключить 3 светодиода последовательно с резистором. Таким образом, средняя потребляемая мощность на один светодиод составила около 30 мВт, что очень хорошо. При таком подходе каждый светодиод будет стоять сам по себе со своим резистором, что приведет к дополнительному выделению 100 мВт тепла для работы светодиода при мощности 30 мВт.

На следующем графике вы можете увидеть результирующую зависимость от настройки ползунка MCP4415 к результирующему общему сопротивлению и прямому току светодиода. Расчеты для использования параллельного резистора 680 Ом и последовательного резистора 68 Ом (для установки максимума):

Связанная схема:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Моя главная проблема, безусловно, заключается в нелинейном отношении стеклоочистителя к сопротивлению, а эффективность является лишь второстепенным соображением. Я открыт для любых решений, но я не могу позволить себе отдельный светодиодный контроллер для каждого светодиода, так как мой бюджет ограничен, поэтому MCP4415 показался мне привлекательным решением (~ 25 € для управления всеми светодиодами).

РЕДАКТИРОВАТЬ: я хочу уточнить некоторые аспекты:

• Хотелось бы иметь возможность управлять током для каждого светодиода отдельно и линейно, от 10мА до 30мА минимум за 64 шага. Мне не нужна абсолютная точность для любого из этих значений, мне нужен лишь приблизительно равномерный способ пошагового перехода через этот диапазон для линейной регулировки яркости светодиода.
• Эффективность не является моей главной целью. Функциональность и стоимость являются наиболее важными факторами.
• Я надеялся, что смогу использовать что-то похожее на MCP4415, так как он дешевый и его не нужно постоянно активно взаимодействовать (он сохраняет свою ценность, по крайней мере, до выключения).
• Моя фаза калибровки происходит один раз при запуске, когда я итеративно аппроксимирую правильный ток, используя обратную связь от фототранзистора.
• Сеть 5 В в основном будет питать эти светодиоды и несколько логических микросхем. При необходимости могу переключиться на другое напряжение.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2: Дополнительные ответы на вопросы из комментариев.

Во-первых, позвольте мне уточнить, что это не коммерческий проект, а просто личный проект. Кроме того, я ученый-компьютерщик, а не инженер-электронщик, так что имейте это в виду. (Поэтому нет спецификации, которой я должен следовать) - я открыт для любых предложений.

Показать приложение. И какое расстояние и диапазон отражения?

Объекты сделаны из дерева, их нельзя красить или модифицировать. Поэтому коэффициент отражения различается для разных объектов (темные пятна и т. д.).

Ближайшее возможное расстояние составляет около 3 мм (+- 1 мм), максимальное расстояние составляет около 13 мм (+-2 мм). Таким образом, расстояние перемещения будет составлять около 9-10 мм для каждого объекта. Все сделано из дерева, поэтому все измерения имеют такие высокие допуски. Плата уже находится в самой дальней точке от объектов. Я, наверное, не могу изменить эти расстояния (может быть - + 1 мм).

У меня есть 12-разрядные АЦП для измерения фототранзисторов, и я просто хочу потерять как можно меньше точности. Поэтому я хочу настроить ИК-светодиод так, чтобы ближняя точка (3 мм) имела примерно одинаковое значение АЦП для всех объектов. Все, что мне нужно, это приблизительное равенство - я просто не хочу, чтобы один АЦП измерял 3000 в ближней точке, а другой - 3500. Дальние точки не важны.

По сути, вы сделали несколько плохих интерпретаций таблицы данных, предположений и, следовательно, неправильного выбора. hFE=CTR (эффективный) = IcON/If варьируется от 0,2% до 0,9% при 10 мА на 1 мм с использованием полированного алюминиевого зеркала. Каковы ваши требования к устойчивости к ошибкам? И какая разница в высоте чипа? 0,1 мм максимум? 0,05 мм?

Я вижу, это также причина, по которой я хочу иметь возможность делать калибровку. Вся информация о допуске, которую я смог собрать, указана выше.

Что касается высоты чипа: мне приходится паять все чипы вручную, так что предположим пессимистичный 1 мм.

Вы говорите 3 ИК последовательно, но тогда 1 R на ИК светодиод??? Не показывать в серии?

Извините, если я был неясен. Я имел в виду один резистор на 3 светодиода последовательно, это текущая конструкция (ниже). Я имел в виду, что я не могу поставить их последовательно, если я хочу управлять ими по отдельности.

Всего у меня 90 датчиков, так что этот шаблон повторяется 30 раз.