Interruptor de barra transversal

Intercambio de teléfono de Crossbar de 1903 para cuatro suscriptores (barritas verticales), con cuatro circuitos de conversación (barras horizontales), y una barra para conectar al operador (T). La barra cruzada más baja conecta estaciones de ocio a tierra para permitir los indicadores de señalización (F). El interruptor se opera manualmente con pines de metal que crean una conexión entre las barras horizontal y verticalmente dispuestas.

En electrónica y telecomunicaciones, un interruptor de barra cruzada (interruptor de punto de cruce, interruptor de matriz) es una colección de interruptores dispuestos en una matriz configuración. Un interruptor de barra cruzada tiene múltiples líneas de entrada y salida que forman un patrón cruzado de líneas de interconexión entre las cuales se puede establecer una conexión cerrando un interruptor ubicado en cada intersección, los elementos de la matriz. Originalmente, un interruptor de barra transversal consistía literalmente en cruzar barras de metal que proporcionaban las rutas de entrada y salida. Las implementaciones posteriores lograron la misma topología de conmutación en la electrónica de estado sólido. El conmutador de barra transversal es una de las principales arquitecturas de centrales telefónicas, junto con un conmutador giratorio, un conmutador de memoria y un conmutador cruzado.

Propiedades generales

Un interruptor de barra cruzada es un conjunto de interruptores individuales entre un conjunto de entradas y un conjunto de salidas. Los interruptores están dispuestos en una matriz. Si el interruptor de barra cruzada tiene M entradas y N salidas, entonces una barra cruzada tiene una matriz con M × N puntos de cruce o lugares donde se pueden realizar conexiones. En cada punto de cruce hay un interruptor; cuando está cerrado, conecta una de las entradas a una de las salidas. Una barra transversal determinada es un interruptor sin bloqueo de una sola capa. Un sistema de conmutación de barra transversal también se denomina sistema de conmutación de coordenadas.

Las colecciones de barras transversales se pueden usar para implementar múltiples capas y conmutadores de bloqueo. Un interruptor de bloqueo impide conectar más de una entrada. Un interruptor sin bloqueo permite otras conexiones simultáneas de entradas a otras salidas.

Aplicaciones

Los interruptores de barra cruzada se usan comúnmente en aplicaciones de procesamiento de información, como telefonía y conmutación de circuitos, pero también se usan en aplicaciones como máquinas clasificadoras mecánicas.

El diseño de matriz de un interruptor de barra cruzada también se usa en algunos dispositivos de memoria de semiconductores que permiten la transmisión de datos. Aquí las barras son alambres de metal extremadamente delgados y los interruptores son enlaces fusibles. Los fusibles se queman o abren con alto voltaje y se leen con bajo voltaje. Dichos dispositivos se denominan memoria de solo lectura programable. En la Conferencia de Nanotecnología NSTI de 2008, se presentó un documento que discutía una implementación de barra cruzada a nanoescala de un circuito de adición utilizado como alternativa a las puertas lógicas para el cálculo.

Los arreglos matriciales son fundamentales para las pantallas planas modernas. Los LCD de transistores de película delgada tienen un transistor en cada punto de cruce, por lo que se podría considerar que incluyen un interruptor de barra transversal como parte de su estructura.

Para la conmutación de video en aplicaciones de cine en casa y profesionales, se usa un interruptor de barra transversal (o un interruptor de matriz, como se le llama más comúnmente en esta aplicación) para distribuir la salida de varios dispositivos de video simultáneamente a cada monitor o a cada habitación. un edificio. En una instalación típica, todas las fuentes de video están ubicadas en un rack de equipos y están conectadas como entradas al conmutador de matriz.

Donde el control central de la matriz es práctico, un interruptor de matriz de montaje en rack típico ofrece botones en el panel frontal para permitir la conexión manual de entradas a salidas. Un ejemplo de tal uso podría ser una barra de deportes, donde se muestran numerosos programas simultáneamente. Normalmente, un bar deportivo instalaría una caja superior de escritorio separada para cada pantalla para la que se desea un control independiente. El interruptor de matriz permite al operador enrutar las señales a voluntad, de modo que solo se necesitan suficientes decodificadores para cubrir el número total de programas únicos que se verán, al tiempo que facilita el control del sonido de cualquier programa en el sistema de sonido general.

Estos interruptores se utilizan en aplicaciones de cine en casa de gama alta. Las fuentes de video que normalmente se comparten incluyen receptores de sobremesa o cambiadores de DVD; el mismo concepto se aplica al audio. Las salidas están conectadas a televisores en habitaciones individuales. El conmutador de matriz se controla a través de una conexión Ethernet o RS-232 mediante un controlador de automatización para toda la casa, como los fabricados por AMX, Crestron o Control4, que proporciona la interfaz de usuario que permite al usuario en cada habitación seleccionar qué aparato desea mirar. La interfaz de usuario real varía según la marca del sistema y puede incluir una combinación de menús en pantalla, pantallas táctiles y controles remotos portátiles. El sistema es necesario para que el usuario pueda seleccionar el programa que desea ver desde la misma habitación desde la que lo verá, de lo contrario sería necesario que caminara hasta el rack de equipos.

Los conmutadores de barra cruzada especiales que se utilizan para distribuir señales de televisión por satélite se denominan conmutadores múltiples.

Implementaciones

Históricamente, un interruptor de barra cruzada constaba de barras de metal asociadas con cada entrada y salida, junto con algún medio para controlar los contactos móviles en cada punto de cruce. Los primeros interruptores usaban clavijas o enchufes metálicos para unir una barra vertical y una horizontal. En la última parte del siglo XX, el uso de interruptores mecánicos de barra cruzada disminuyó y el término describió cualquier conjunto rectangular de interruptores en general. Los interruptores de barra cruzada modernos generalmente se implementan con tecnología de semiconductores. Una importante clase emergente de barras transversales ópticas se implementa con tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS).

Mecánica

Un tipo de intercambio telegráfico de mediados del siglo XIX consistía en una cuadrícula de barras de latón verticales y horizontales con un orificio en cada intersección (c.f. imagen superior). El operador insertó un pasador de metal para conectar una línea de telégrafo a otra.

Conmutación electromecánica en telefonía

Un conmutador de barra transversal de telefonía es un dispositivo electromecánico para conmutar llamadas telefónicas. El primer diseño de lo que ahora se llama un interruptor de barra cruzada fue el selector de coordenadas de la compañía Bell Western Electric de 1915. Para ahorrar dinero en los sistemas de control, este sistema se organizó según el principio de interruptor o selector de pasos en lugar del principio de enlace. Fue poco utilizado en América, pero la agencia gubernamental sueca Televerket fabricó su propio diseño (el diseño de Gotthilf Betulander de 1919, inspirado en el sistema Western Electric), y lo usó en Suecia desde 1926 hasta la digitalización en la década de 1980 en pequeñas y medianas empresas. Interruptores modelo A204 de tamaño mediano. El diseño del sistema utilizado en los intercambios de barra cruzada 1XB de AT&T Corporation, que entró en servicio comercial a partir de 1938, desarrollado por Bell Telephone Labs, se inspiró en el diseño sueco pero se basó en el principio de enlace redescubierto. En 1945, se instaló en Suecia un diseño similar de Swedish Televerket, lo que permitió aumentar la capacidad del conmutador modelo A204. Retrasadas por la Segunda Guerra Mundial, varios millones de líneas 1XB urbanas se instalaron a partir de la década de 1950 en Estados Unidos.

En 1950, la empresa sueca Ericsson desarrolló sus propias versiones de los sistemas 1XB y A204 para el mercado internacional. A principios de la década de 1960, las ventas de interruptores de barra cruzada de la compañía excedieron las de su sistema rotativo de 500 interruptores, medido en número de líneas. La conmutación de barra cruzada se extendió rápidamente al resto del mundo, reemplazando la mayoría de los diseños anteriores como el Strowger (paso a paso) y los sistemas de panel en instalaciones más grandes en los EE. control y una variedad de funciones de llamadas que incluyen código corto y marcación rápida. En el Reino Unido, Plessey Company produjo una variedad de intercambios de barras cruzadas TXK, pero su despliegue generalizado por parte de la oficina de correos británica comenzó más tarde que en otros países, y luego se vio inhibido por el desarrollo paralelo de los sistemas de intercambio electrónico y relé de lengüeta TXE, por lo que nunca lograron una gran cantidad de conexiones de clientes, aunque tuvieron cierto éxito como intercambios de conmutadores en tándem.

Los interruptores de barra cruzada utilizan matrices de conmutación hechas de una matriz bidimensional de contactos dispuestos en un formato x-y. Estas matrices de conmutación son operadas por una serie de barras horizontales dispuestas sobre los contactos. Cada barra de selección de este tipo puede moverse hacia arriba o hacia abajo mediante electroimanes para proporcionar acceso a dos niveles de la matriz. Un segundo conjunto de barras de sujeción verticales se coloca en ángulo recto con respecto al primero (de ahí el nombre, "barra transversal") y también funciona con electroimanes. Las barras seleccionadas llevan dedos de alambre con resorte que permiten que las barras de sujeción operen los contactos debajo de las barras. Cuando los electroimanes de selección y luego de retención operan en secuencia para mover las barras, atrapan uno de los dedos del resorte para cerrar los contactos debajo del punto donde se cruzan dos barras. Esto luego hace la conexión a través del conmutador como parte de la configuración de una ruta de llamada a través del intercambio. Una vez conectado, el imán de selección se suelta para que pueda usar sus otros dedos para otras conexiones, mientras que el imán de retención permanece energizado durante la llamada para mantener la conexión. La interfaz de conmutación de barra cruzada se denominaba interruptor TXK o TXC (barra cruzada de central telefónica) en el Reino Unido.

Western Electric 100-punt seis-wire Tipo B interruptor de barra cruzada

Sin embargo, el interruptor de barra cruzada Tipo B de Bell System de la década de 1960 fue el que se fabricó en mayor cantidad. La mayoría eran interruptores de 200 puntos, con veinte verticales y diez niveles de tres cables. Cada barra de selección lleva diez dedos para que cualquiera de los diez circuitos asignados a las diez verticales pueda conectarse a cualquiera de los dos niveles. Cinco barras de selección, cada una capaz de rotar hacia arriba o hacia abajo, significan una elección de diez enlaces a la siguiente etapa de cambio. Cada punto de cruce en este modelo en particular conectaba seis cables. Los contactos anormales verticales junto a los imanes de retención están alineados a lo largo de la parte inferior del interruptor. Realizan funciones lógicas y de memoria, y la barra de retención los mantiene en la posición activa mientras la conexión esté activa. Los anormales horizontales a los lados del interruptor son activados por las barras horizontales cuando los imanes de mariposa los giran. Esto solo sucede mientras se establece la conexión, ya que las mariposas solo se activan en ese momento.

Interruptor de barras eléctricas occidentales

Volver al tipo C

La mayoría de los interruptores de Bell System se fabricaron para conectar tres cables, incluida la punta y el anillo de un circuito de par balanceado y un cable de manguito para el control. Muchos conectaron seis cables, ya sea para dos circuitos distintos o para un circuito de cuatro cables u otra conexión compleja. El travesaño en miniatura Tipo C de Bell System de la década de 1970 era similar, pero los dedos se proyectaban hacia adelante desde la parte posterior y las barras seleccionadas sostenían paletas para moverlos. La mayoría del tipo C tenía doce niveles; estos eran los diez niveles menos comunes. El minibar de Northern Electric utilizado en el conmutador SP1 era similar pero incluso más pequeño. El multiconmutador ITT Pentaconta de la misma época tenía generalmente 22 verticales, 26 niveles y de seis a doce cables. Los interruptores de barra transversal de Ericsson a veces tenían solo cinco verticales.

Instrumentación

Para el uso de instrumentación, James Cunningham, Son and Company fabricó interruptores de barra cruzada de alta velocidad y muy larga duración con piezas mecánicas físicamente pequeñas que permitieron un funcionamiento más rápido que los interruptores de barra cruzada de tipo telefónico. Muchos de sus interruptores tenían la función AND booleana mecánica de los interruptores de barra cruzada de telefonía, pero otros modelos tenían relés individuales (una bobina por punto de cruce) en matrices, conectando los contactos del relé a los buses [x] e [y]. Estos últimos tipos eran equivalentes a relés separados; no había una función AND lógica incorporada. Los interruptores de barra cruzada de Cunningham tenían contactos de metales preciosos capaces de manejar señales de milivoltios.

Central telefónica

Los primeros intercambios de barras cruzadas se dividían en un lado de origen y un lado de terminación, mientras que el interruptor SP1 de Canadá y EE. UU. y el interruptor 5XB posteriores y prominentes no lo estaban. Cuando un usuario descolgó el auricular del teléfono, el bucle de línea resultante que operaba la retransmisión de la línea del usuario provocó que el intercambio conectara el teléfono del usuario a un remitente de origen, que devolvía al usuario un tono de marcación. Luego, el remitente registraba los dígitos marcados y los pasaba al marcador de origen, que seleccionaba una troncal saliente y operaba las diversas etapas del interruptor de la barra transversal para conectar al usuario que llama a ella. Luego, el marcador de origen pasó los requisitos de finalización de la llamada troncal (tipo de pulsación, resistencia de la troncal, etc.) y los detalles de la parte llamada al remitente y se liberó. Luego, el remitente transmitió esta información a un remitente de terminación (que podría estar en el mismo intercambio o en uno diferente). Luego, este remitente usó un marcador de terminación para conectar al usuario que llama, a través de la troncal entrante seleccionada, con el usuario llamado, y provocó que el conjunto de relés de control enviara la señal de llamada al teléfono del usuario llamado y devolviera el tono de llamada a llamador.

El interruptor de la barra transversal en sí era simple: el diseño del intercambio trasladó toda la toma de decisiones lógicas a los elementos de control comunes, que eran muy confiables como conjuntos de relés. Los criterios de diseño especificaban solo dos horas de tiempo de inactividad para el servicio cada cuarenta años, lo que supuso una gran mejora con respecto a los sistemas electromecánicos anteriores. El concepto de diseño de la central se prestó a actualizaciones incrementales, ya que los elementos de control podían reemplazarse por separado de los elementos de conmutación de llamadas. El tamaño mínimo de una central de barra transversal era comparativamente grande, pero en áreas urbanas con una gran capacidad de línea instalada, toda la central ocupaba menos espacio que otras tecnologías de central de capacidad equivalente. Por esta razón, también solían ser los primeros interruptores en ser reemplazados por sistemas digitales, que eran aún más pequeños y más confiables.

Existían dos principios de cambio de barra transversal. Uno de los primeros métodos se basaba en el principio del selector, que usaba interruptores de barra cruzada para implementar el mismo tejido de conmutación que se usaba con los interruptores Strowger. En este principio, cada conmutador de barra cruzada recibiría un dígito marcado, correspondiente a uno de varios grupos de conmutadores o troncales. El interruptor luego encontraría un interruptor inactivo o troncal entre los seleccionados y se conectaría a él. Cada interruptor de barra cruzada solo podía manejar una llamada a la vez; así, un intercambio con cien conmutadores 10×10 en cinco etapas solo podría tener veinte conversaciones en curso. El control distribuido significaba que no había un punto común de falla, pero también significaba que la etapa de configuración duraba los diez segundos más o menos que la persona que llamaba marcaba el número requerido. En términos de ocupación de control, este intervalo comparativamente largo degrada la capacidad de tráfico de un conmutador.

Cableado de trama de un interruptor de seis alambres de 100 puntos Tipo B Bell System

Comenzando con el conmutador 1XB, el método posterior y más común se basó en el principio de enlace y utilizó los conmutadores como puntos de cruce. Cada contacto móvil se multiplicó a los otros contactos en el mismo nivel mediante cableado desnudo, a menudo denominado cableado de banjo. a un enlace en una de las entradas de un interruptor en la siguiente etapa. El conmutador podía manejar su parte de tantas llamadas como niveles o verticales tuviera. Así, un intercambio con cuarenta conmutadores 10×10 en cuatro etapas podría tener cien conversaciones en curso. El principio de enlace era más eficiente, pero requería un sistema de control complejo para encontrar enlaces inactivos a través de la estructura de conmutación.

Esto significaba control común, como se describe anteriormente: todos los dígitos se registraban y luego se pasaban al equipo de control común, el marcador, para establecer la llamada en todas las etapas de conmutación separadas simultáneamente. Un sistema de barra transversal controlado por marcador tenía en el marcador un control central altamente vulnerable; esto estaba invariablemente protegido por tener marcadores duplicados. La gran ventaja era que la ocupación de control en los interruptores era del orden de un segundo o menos, lo que representaba los retardos de operación y liberación de las armaduras X-luego-Y de los interruptores. El único inconveniente del control común era la necesidad de proporcionar suficientes registradores de dígitos para manejar el mayor nivel de tráfico de origen previsto en la central.

El diseño Plessey TXK1 o 5005 utilizaba una forma intermedia, en la que se marcaba un camino claro a través de la estructura de conmutación mediante lógica distribuida y luego se cerraba todo a la vez.

Los intercambios de barras cruzadas permanecen en el servicio de pago solo en algunas redes telefónicas. Las instalaciones preservadas se mantienen en museos, como el Museo de Comunicaciones en Seattle, Washington, y el Museo de Ciencias en Londres.

Semiconductores

Las implementaciones de semiconductores de los interruptores de barra transversal generalmente consisten en un conjunto de amplificadores de entrada o retemporizadores conectados a una serie de interconexiones dentro de un dispositivo semiconductor. Un conjunto similar de interconexiones se conecta a amplificadores de salida o retemporizadores. En cada punto de cruce donde se cruzan las barras, se implementa un transistor de paso que conecta las barras. Cuando el transistor de paso está habilitado, la entrada se conecta a la salida.

A medida que las tecnologías informáticas han mejorado, los conmutadores de barra cruzada han encontrado usos en sistemas como las redes de interconexión de varias etapas que conectan las diversas unidades de procesamiento en un procesador paralelo de acceso uniforme a la memoria a la matriz de elementos de memoria.

Arbitraje

Un problema estándar en el uso de interruptores de barra transversal es el de establecer los puntos de cruce. En la clásica aplicación de telefonía de travesaños, los puntos de cruce se cierran, y se abren a medida que van y vienen las llamadas telefónicas. En el modo de transferencia asíncrono o en aplicaciones de conmutación de paquetes, los puntos de cruce se deben realizar y romper en cada intervalo de decisión. En los interruptores de alta velocidad, se deben determinar los ajustes de todos los puntos de cruce y luego configurarlos millones o miles de millones de veces por segundo. Un enfoque para tomar estas decisiones rápidamente es mediante el uso de un árbitro de frente de onda.