Steuerung des Stroms durch mehrere LEDs linear und effizient

Ich habe etwa 100 Infrarot-LEDs mit jeweils einem angrenzenden Fototransistor, um kleine Unterschiede in der Entfernung mehrerer Objekte zu erkennen ( QRE1113 ).

Da sich die Objektmaterialien unterscheiden, möchte ich in der Lage sein, die Intensität jedes Emitters separat zu kalibrieren, um dies auszugleichen. Da der Ausgang jedes Fototransistors mit einer sehr hohen Abtastrate (~ 50 ksps) gemessen wird, kann ich keinen PWM-Controller verwenden, da diese normalerweise bei etwa 20 kHz arbeiten und daher den Stromfluss durch jeden IR-Emitter direkt steuern müssen.

Da ich diese Kalibrierungsphase gerne über I2C durchführen möchte, war meine Idee, ein digitales Potentiometer wie das MCP4451 als Rheostat zu verwenden. Es hat 4 Kanäle und so dachte ich daran, es als Strombegrenzungswiderstand für 4 LEDs zu verwenden. Während dies einerseits ansprechend ist (niedriger Preis, einfache Einrichtung), sehe ich zwei Hauptprobleme:

1. Alle erschwinglichen Digitalpotentiometer haben einen Bereich von mindestens 5kΩ. Ich brauche einen Bereich von etwa 400Ω. Durch die Verwendung eines Parallelwiderstands könnte ich die Reichweite anpassen, aber die resultierende Reichweite wäre nicht mehr linear. Obwohl keine perfekte Linearität erforderlich ist, möchte ich in der Lage sein, vernünftige Anpassungen in allen Regionen vorzunehmen, und nicht nur am Ende der niedrigen Stromstärke.

2. Effizienz. Ich treibe all diese von einer 5-V-Quelle und ohne Kalibrierungshardware konnte ich 3 LEDs mit einem Widerstand in Reihe schalten. Daher lag der durchschnittliche Stromverbrauch pro LED bei etwa 30 mW, was großartig ist. Bei diesem Ansatz würde jede LED mit ihrem Widerstand für sich allein stehen, was zu einer zusätzlichen Erwärmung von 100 mW für den LED-Betrieb bei 30 mW führen würde.

In der folgenden Grafik sehen Sie die resultierende Beziehung aus der Schleifereinstellung des MCP4415 zum resultierenden Gesamtwiderstand und LED-Durchlassstrom. Die Berechnungen gelten für die Verwendung eines parallelen 680-Ω-Widerstands und eines 68-Ω-Widerstands in Reihe (um das Maximum festzulegen):

Verwandte Schaltung:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Mein Hauptproblem ist definitiv das nichtlineare Schleifer-Widerstands-Verhältnis, der Wirkungsgrad ist nur zweitrangig. Ich bin für alle Lösungen offen, kann mir aber nicht für jede LED einen eigenen LED-Controller leisten, da mein Budget begrenzt ist, weshalb mir der MCP4415 als ansprechende Lösung erschien (~25€ um alle LEDs anzusteuern).

EDIT: Ich möchte einige Aspekte klarstellen:

• Ich möchte den Strom für jede LED separat und linear von 10 mA bis 30 mA in mindestens 64 Schritten steuern können. Ich benötige für keinen dieser Werte absolute Präzision, sondern nur einen ungefähr einheitlichen Weg, um diesen Bereich zu durchlaufen, um die Helligkeit für die LED linear einzustellen.
• Effizienz ist nicht mein oberstes Ziel. Funktionalität und Kosten sind die wichtigsten Faktoren.
• Ich hatte gehofft, etwas Ähnliches wie das MCP4415 verwenden zu können, da es billig ist und nicht die ganze Zeit aktiv angeschlossen werden muss (es behält seinen Wert zumindest bis zum Herunterfahren).
• Meine Kalibrierungsphase tritt einmal beim Start auf, wo ich den korrekten Strom iterativ annähere, indem ich die Rückkopplung des Fototransistors verwende.
• Das 5-V-Netzwerk versorgt hauptsächlich diese LEDs und einige Logik-ICs. Bei Bedarf kann ich auf eine andere Spannung umschalten.

EDIT 2: Zusätzliche Antworten auf Fragen aus den Kommentaren.

Lassen Sie mich zunächst klarstellen, dass dies kein kommerzielles Projekt ist, sondern nur ein persönliches Projekt. Außerdem bin ich Informatiker und kein Elektroniker, also bedenken Sie das bitte. (Daher gibt es keine Spezifikation, der ich folgen muss) - Ich bin offen für alle Vorschläge.

Anwendung zeigen. Und welche Entfernung und Reichweite des Reflexionsvermögens?

Objekte sind aus Holz und können nicht bemalt oder modifiziert werden. Daher variiert der Reflexionsgrad über verschiedene Objekte (dunkle Flecken usw.).

Am engsten sind es etwa 3 mm (+-1 mm), am weitesten etwa 13 mm (+-2 mm). Die Verfahrstrecke beträgt also für jedes Objekt etwa 9-10 mm. Alles ist Holz, daher haben alle Maße diese hohen Toleranzen. Die Leiterplatte ist bereits am weitesten von den Objekten entfernt. Ich kann diese Abstände wahrscheinlich nicht ändern (vielleicht -+ 1mm).

Ich habe 12-Bit-ADCs, die die Fototransistoren messen, und ich möchte nur so wenig Präzision wie möglich verschwenden. Daher möchte ich die IR-LED so einstellen, dass der Nahpunkt (3mm) bei allen Objekten in etwa den gleichen ADC-Wert hat. Ungefähr gleich ist alles, was ich brauche - ich möchte nur nicht, dass ein ADC 3000 am Nahpunkt und ein anderer 3500 misst. Die Fernpunkte sind nicht wichtig.

Grundsätzlich haben Sie einige schlechte Interpretationen von Datenblättern, Annahmen und damit schlechte Entscheidungen getroffen. hFE = CTR (effektiv) = IcON/If variiert von 0,2 % bis 0,9 % bei 10 mA bei 1 mm unter Verwendung eines polierten Alaunspiegels. Was ist Ihre Spezifikation für die Fehlertoleranz? Und welche Variation der Chiphöhe? 0,1 mm maximal? 0,05 mm?

Ich verstehe, das ist auch der Grund, warum ich kalibrieren können möchte. Alle Toleranzinformationen, die ich sammeln konnte, sind oben aufgeführt.

Bezüglich Chiphöhe: Ich muss alle Chips handlöten, gehe also von pessimistischen 1 mm aus.

Sie sagen 3 IRs in Reihe, aber dann 1 R pro IR-LED ??? Keine in Serie anzeigen?

Entschuldigung, wenn ich mich unklar ausgedrückt habe. Ich meinte einen Widerstand pro 3 LEDs in Reihe, das ist das aktuelle Design (unten). Was ich meinte war, dass ich sie nicht in Reihe schalten kann, wenn ich sie separat steuern möchte.

Insgesamt habe ich 90 Sensoren, also wiederholt sich dieses Muster 30 Mal.