Cuando se emplea un transistor para controlar una carga fuertemente inductiva como lo es una bobina de Encendido, este se verá irremediablemente sometido a picos de voltaje cada vez que el transistor entra en estado de no conducción.

Para entender por qué se generan los picos de voltaje que pueden poner en peligro al transistor, y en especial a los MOSFET, hay que recordar que el voltaje que se genera en un inductor es directamente proporcional a la variación de corriente que pasa por él en el tiempo. El voltaje generado en un inductor es

El MOSFET constantemente está pasando de un estado de conducción ("on state") a uno de no conducción ("off state"), ya que se le aplica la señal cuadrada proveniente del 555. Los tiempos que le toma al transistor pasar de un estado de conducción a uno de no conducción son del orden de 1µs, o incluso menos, de hasta 100ns. Dependiendo de la frecuencia de la señal que genera el 555, la corriente que circula por la bobina puede ser de 2 o 3A o menos, y crece de manera lineal cada vez que el transistor de enciende. Así, podemos aproximar

Una bobina de Encendido tiene una inductancia que va desde los 4mH hasta los 10mH. Tomando L = 10mH, y asumimos que ΔI = 3.0A, y Δt = 1µs, entonces el voltaje desarrollado en la bobina de Encendido llega hasta los 30 mil Volts. Este valor es solo en el primario de la bobina, y aunque es un poco exagerado, da una idea de los altísimos voltajes que aparacen, y que representan un peligro potencial para el MOSFET. ¿Qué hacer entonces?

La prímera línea de protección que posee un MOSFET es el diodo antiparalelo que poseen. Este diodo es un elemento intrínseco, que aparece por la forma en que se construyen estos transistores. Cuando se someten a un voltaje mayor al que están especificados se produce una corriente significativa entre el drenador (D) y la fuente (S) por un proceso de multiplicación de avalancha, apareciendo tanto drenador como fuente en cortocircuito. Pero el diodo interno tiene un límite de energía que puede soportar; si este límite es superado, el transistor queda inservible.

En vez de dejar que la protección del MOSFET recaiga en este diodo intrínseco, es más recomendable usar otro tipo de protección. Un elemento realmente simple y efectivo para esta tarea es un varistor. Los varistores son elementos electrónicos que en modo de no conducción se comportan como resistores cuya resistencia es extremadamente alta, del orden de megaohms. Sin embargo, cuando un varistor se somete a un voltaje mayor a aquel al cual está especificado (llamado voltaje de referencia) entra en un estado de conducción, transformándose en un camino de baja impedancia (prácticamente un cortocircuito) por el cual pasa el exceso de energía que de otro modo representaría un peligro real para el MOSFET. Para que el varistor cumpla su cometido siempre debe conectarse como se muestra a continuación

En operación, cuando el MOSFET entra en estado de no conducción, los picos de voltaje ponen al varistor en conducción, absorbiendo el exceso de energía. Mientras el varistor está encendido ("on state"), el transistor está a un voltaje constante igual al voltaje de referencia de aquel, o a un valor algo diferente.

Como es de esperarse, el varistor ahora tiene que soportar la energía extra. Por eso se requiere de un varistor cuya tasa de potencia le permita soportar los sobrevoltajes. Un varistor de poca capacidad se calentará rápidamente y se quemará.

Por otra parte, la elección del varistor correcto depende tanto del transistor como de la potencia que se espera que disipe. Esto último depende de la frecuencia de la señal que se aplica al transistor, entre otros factores. Así, por ejemplo, para el IRF640, cuyo voltaje máximo es de 200V, varistores de 150V son los indicados, más falta saber de que potencia. Para el IRF740, que soporta 400V, varistores de 300V y 330V son ideales. Sin embargo, a menos de que se sepa el número de parte del varistor que se está comprando, la única forma de saber si un varistor nos sirve es considerar su voltaje y su tamaño físico. Varistores pequeños es posible que se sobrecalienten y se quemen. Yo, por ejemplo, uso un varistor SAS 391KD14, de 320V D.C., el cual se muestra en la imágen superior. Hasta ahora este varistor ha protegido con éxito mis transistores IRF740.

Otra forma de proteger al MOSFET es emplear un diodo supresor de transitorios, o TVS (Transient Voltage Suppression). Estos diodos actúan de forma similar que los varistores: cuando son sometidos a un voltaje mayor al que están valorados su impedancia baja rápidamente y una gran corriente circula por ellos por efecto de avalancha. El diodo, entonces, representa un camino por el cual la energía en exceso se mantiene alejada del transistor; mientras tanto, el voltaje en este último elemento está limitado al voltaje de referencia del diodo o clamping voltage. En esencia, estos diodos realizan la misma tarea que el diodo intrínseco del MOSFET, sin embargo son capaces de soportar mucha más energía.

Para realizar su trabajo, estos diodos se conectan en paralelo con el MOSFET, de la misma manera que se conecta un varistor. Se conectan en polarización inversa, justo como los diodos zener. En el siguiente esquema se muestran las conexiones.

Estas son dos maneras de proteger el MOSFET, y son muy efectivas. Existen otras formas de protegerlos, las cuales se mostrarán proximamente.