Interruptor de barra transversal

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En electrónica y telecomunicaciones , un conmutador de barras cruzadas ( conmutador de punto de cruce , conmutador de matriz ) es una colección de conmutadores dispuestos en una configuración matricial . Un conmutador de barras cruzadas 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 conmutador ubicado en cada intersección, los elementos de la matriz. Originalmente, un conmutador de barras cruzadas consistía literalmente en barras metálicas cruzadas que proporcionaban las rutas de entrada y salida. Implementaciones posteriores lograron la misma topología de conmutación en la electrónica de estado sólido . El conmutador de barras cruzadas es una de las principales arquitecturas de central telefónica , junto con un conmutador rotatorio , un conmutador de memoria, ^[2] y un conmutador de cruce .

Un interruptor de barra transversal 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 transversal tiene M entradas y N salidas, entonces una barra transversal tiene una matriz con M × N puntos de cruce o lugares donde se pueden hacer conexiones. En cada punto de cruce hay un interruptor; cuando está cerrado, conecta una de las entradas con una de las salidas. Una barra transversal dada es un interruptor de una sola capa, sin bloqueo. Un sistema de conmutación de barra transversal también se denomina sistema de conmutación de coordenadas.

Las colecciones de barras cruzadas se pueden utilizar para implementar conmutadores de múltiples capas y de bloqueo. Un conmutador de bloqueo evita la conexión de más de una entrada. Un conmutador sin bloqueo permite otras conexiones simultáneas de entradas a otras salidas.

Los interruptores de barra transversal se utilizan comúnmente en aplicaciones de procesamiento de información, como telefonía y conmutación de circuitos , pero también se utilizan en aplicaciones como máquinas de clasificación mecánica .

El diseño matricial de un interruptor de barra cruzada también se utiliza en algunos dispositivos de memoria de semiconductores que permiten la transmisión de datos. Aquí las barras son cables metálicos extremadamente finos y los interruptores son enlaces fusibles . Los fusibles se funden o abren utilizando alto voltaje y se leen utilizando bajo voltaje. Estos dispositivos se denominan memoria de solo lectura programable . ^[3] En la Conferencia de Nanotecnología NSTI de 2008 se presentó un artículo que analizaba una implementación de barra cruzada a escala nanométrica de un circuito sumador utilizado como alternativa a las puertas lógicas para el cálculo. ^[4]

Las matrices son fundamentales para las pantallas planas modernas. Las pantallas LCD con transistores de película fina 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 vídeo en aplicaciones de cine en casa y profesionales, se utiliza un conmutador de barras cruzadas (o conmutador de matriz, como se lo denomina más comúnmente en esta aplicación) para distribuir la salida de varios dispositivos de vídeo simultáneamente a cada monitor o a cada habitación de un edificio. En una instalación típica, todas las fuentes de vídeo se encuentran en un bastidor de equipos y se conectan como entradas al conmutador de matriz.

Cuando es práctico el control central de la matriz, un conmutador de matriz típico montado en bastidor ofrece botones en el panel frontal para permitir la conexión manual de entradas a salidas. Un ejemplo de este tipo de uso podría ser un bar deportivo , donde se muestran numerosos programas simultáneamente. Por lo general, un bar deportivo instalaría un decodificador de escritorio independiente para cada pantalla para la que se desea un control independiente. El conmutador de matriz permite al operador enrutar las señales a voluntad, de modo que solo se necesiten suficientes decodificadores para cubrir la cantidad total de programas únicos que se van a ver, al tiempo que se facilita el control del sonido de cualquier programa en el sistema de sonido general.

Estos conmutadores se utilizan en aplicaciones de cine en casa de alta gama. Las fuentes de vídeo que se suelen compartir incluyen receptores de sobremesa o cambiadores de DVD; el mismo concepto se aplica al audio. Las salidas están conectadas por cable 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 de toda la casa, como los fabricados por AMX , Crestron o Control4 , que proporciona la interfaz de usuario que permite al usuario de cada habitación seleccionar qué aparato ver. 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 permitir al usuario seleccionar el programa que desea ver desde la misma habitación desde la que lo verá, de lo contrario sería necesario que caminara hasta el estante del equipo.

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

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

Un tipo de central telegráfica de mediados del siglo XX consistía en una red de barras de latón verticales y horizontales con un orificio en cada intersección ( véase la imagen superior). El operador insertaba un pasador de metal para conectar una línea telegráfica con otra.

Un conmutador de barra cruzada de telefonía es un dispositivo electromecánico para conmutar llamadas telefónicas . El primer diseño de lo que ahora se llama conmutador de barra cruzada fue el selector de coordenadas Western Electric de la compañía Bell de 1915. Para ahorrar dinero en sistemas de control, este sistema se organizó sobre el principio del conmutador o selector de pasos en lugar del principio de enlace. Se utilizó poco en Estados Unidos, pero la agencia gubernamental sueca Televerket fabricó su propio diseño (el diseño Gotthilf Betulander de 1919, inspirado en el sistema Western Electric), y lo utilizó en Suecia desde 1926 hasta la digitalización en la década de 1980 en conmutadores modelo A204 de tamaño pequeño y mediano. El diseño del sistema utilizado en las centrales de barra cruzada 1XB de AT&T Corporation , que entraron 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 la empresa sueca Televerket, lo que permitió aumentar la capacidad de la centralita modelo A204. A pesar de las demoras provocadas por la Segunda Guerra Mundial, a partir de los años 50 se instalaron varios millones de líneas urbanas 1XB 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 los años 60, las ventas de conmutadores de barra cruzada de la empresa superaron las de su sistema de conmutación rotativa de 500, 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 Panel en instalaciones más grandes en los EE. UU. Al graduarse del control completamente electromecánico en su introducción, se elaboraron gradualmente para tener un control electrónico completo y una variedad de funciones de llamada que incluyen código corto y marcación rápida. En el Reino Unido, la empresa Plessey produjo una gama de centrales de barra cruzada TXK , pero su implementación generalizada por parte de la Oficina Postal británica comenzó más tarde que en otros países, y luego se vio inhibida por el desarrollo paralelo de los sistemas de relé de lengüeta TXE y de central electrónica, por lo que nunca lograron una gran cantidad de conexiones de clientes, aunque tuvieron cierto éxito como centrales de conmutación en tándem .

Los interruptores de barra transversal utilizan matrices de conmutación formadas por una matriz bidimensional de contactos dispuestos en un formato x-y. Estas matrices de conmutación se accionan mediante una serie de barras horizontales dispuestas sobre los contactos. Cada una de estas barras de selección se puede mover hacia arriba o hacia abajo mediante electroimanes para proporcionar acceso a dos niveles de la matriz. Un segundo conjunto de barras de retención verticales se coloca en ángulo recto con respecto al primero (de ahí el nombre, "barra transversal") y también se acciona mediante electroimanes. Las barras de selección llevan dedos de alambre accionados por resorte que permiten que las barras de retención accionen los contactos debajo de las barras. Cuando los electroimanes de selección y luego los de retención funcionan en secuencia para mover las barras, atrapan uno de los dedos de resorte para cerrar los contactos debajo del punto donde se cruzan dos barras. Esto luego realiza la conexión a través del interruptor como parte de la configuración de una ruta de llamada a través de la central. Una vez conectado, el imán de selección se libera 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. En el Reino Unido, la interfaz de conmutación de barra transversal se denominaba conmutador TXK o TXC (barra transversal de central telefónica).

Sin embargo, el interruptor de barra transversal 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 los diez verticales pueda conectarse a cualquiera de los dos niveles. Cinco barras de selección, cada una capaz de girar hacia arriba o hacia abajo, significan una elección de diez enlaces a la siguiente etapa de conmutación. 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 en los lados del interruptor se activan 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 energizan en ese momento.

La mayoría de los interruptores Bell System se fabricaron para conectar tres cables, incluida la punta y el anillo de un circuito de par equilibrado y un cable de manguito para el control. Muchos conectaban seis cables, ya sea para dos circuitos distintos o para un circuito de cuatro cables u otra conexión compleja. El interruptor de barra transversal en miniatura Bell System Type C de la década de 1970 era similar, pero los dedos se proyectaban hacia adelante desde la parte posterior y las barras de selección sostenían paletas para moverlas. La mayoría de los de tipo C tenían doce niveles; estos eran los menos comunes de diez niveles. El Minibar de Northern Electric utilizado en el interruptor SP1 era similar, pero aún más pequeño. El Multiswitch Pentaconta de ITT 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.

Para su uso en instrumentación, James Cunningham, Son and Company ^[5] fabricó interruptores de barra transversal de alta velocidad y muy larga duración ^[6] con piezas mecánicas físicamente pequeñas que permitían un funcionamiento más rápido que los interruptores de barra transversal de tipo telefónico. Muchos de sus interruptores tenían la función AND booleana mecánica de los interruptores de barra transversal de telefonía, pero otros modelos tenían relés individuales (una bobina por punto de cruce) en matrices, conectando los contactos de 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 transversal de Cunningham tenían contactos de metales preciosos capaces de manejar señales de milivoltios.

Las primeras centrales de barras cruzadas se dividían en un lado de origen y un lado de terminación, mientras que los conmutadores SP1 y 5XB canadienses y estadounidenses, que aparecieron posteriormente y eran importantes , no lo estaban. Cuando un usuario levantaba el auricular del teléfono , el bucle de línea resultante que operaba el relé de línea del usuario hacía que la central conectara el teléfono del usuario a un transmisor de origen, que devolvía al usuario un tono de marcado. A continuación, el transmisor registraba los dígitos marcados y los pasaba al marcador de origen, que seleccionaba un troncal saliente y operaba las distintas etapas del conmutador de barras cruzadas para conectar al usuario que llamaba con él. A continuación, el marcador de origen pasaba los requisitos de finalización de la llamada del troncal (tipo de pulso, resistencia del troncal, etc.) y los detalles de la parte llamada al transmisor y lo liberaba. A continuación, el transmisor retransmitía esta información a un transmisor de terminación (que podía estar en la misma central o en una diferente). Este remitente utilizó luego un marcador de terminación para conectar al usuario que llama, a través del tronco entrante seleccionado, con el usuario llamado, e hizo que el conjunto de relé de control enviara la señal de timbre al teléfono del usuario llamado y devolviera el tono de timbre a la persona que llamaba.

El diseño de la centralita era simple: el diseño de la centralita trasladaba toda la toma de decisiones lógicas a los elementos de control comunes , que eran muy fiables como conjuntos de relés. Los criterios de diseño especificaban solo dos horas de inactividad por servicio cada cuarenta años, lo que suponía una gran mejora con respecto a los sistemas electromecánicos anteriores. El concepto de diseño de la centralita se prestaba a actualizaciones incrementales, ya que los elementos de control podían sustituirse por separado de los elementos de conmutación de llamadas. El tamaño mínimo de una centralita era comparativamente grande, pero en áreas urbanas con una gran capacidad de línea instalada, toda la centralita ocupaba menos espacio que otras tecnologías de centralita de capacidad equivalente. Por este motivo, también solían ser las primeras centrales que se sustituyeron por sistemas digitales , que eran aún más pequeños y fiables.

Existían dos principios de conmutación de barras cruzadas. Un método temprano se basaba en el principio del selector, que utilizaba conmutadores de barras cruzadas para implementar la misma estructura de conmutación utilizada con los conmutadores Strowger . En este principio, cada conmutador de barras cruzadas recibiría un dígito marcado, correspondiente a uno de varios grupos de conmutadores o troncales. El conmutador encontraría entonces un conmutador o troncal inactivo entre los seleccionados y se conectaría a él. Cada conmutador de barras cruzadas solo podía manejar una llamada a la vez; por lo tanto, una central con cien conmutadores 10x10 en cinco etapas solo podía 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 aproximadamente que tardaba el llamante en marcar el número requerido. En términos de ocupación del control, este intervalo comparativamente largo degrada la capacidad de tráfico de un conmutador. ^{[ cita requerida ]}

A partir del 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 multiplicaba con los otros contactos del mismo nivel mediante un cableado de tiras desnudas, a menudo apodado cableado banjo . ^[7] a un enlace en una de las entradas de un conmutador en la siguiente etapa. El conmutador podía manejar su parte de tantas llamadas como niveles o verticales tuviera. Por lo tanto, una central con cuarenta conmutadores 10×10 en cuatro etapas podía 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 un control común , como se describió 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 cruzada controlado por marcador tenía en el marcador un control central altamente vulnerable; esto estaba invariablemente protegido al tener marcadores duplicados. La gran ventaja era que la ocupación del control en los conmutadores era del orden de un segundo o menos, lo que representa los retrasos de operación y liberación de las armaduras X y luego Y de los conmutadores. La única desventaja del control común era la necesidad de proporcionar registradores de dígitos suficientes para lidiar con el mayor nivel de tráfico de origen previsto en la central.

El diseño TXK 1 o 5005 de Plessey utilizó 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 de una vez.

Las centrales de barras cruzadas siguen en servicio comercial sólo en unas pocas redes telefónicas. Se conservan instalaciones en museos , como el Museo de Comunicaciones de Seattle, Washington, y el Museo de Ciencias de Londres .

Las implementaciones de semiconductores de interruptores de barras cruzadas 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 tales como las redes de interconexión de múltiples etapas que conectan las distintas unidades de procesamiento en un procesador paralelo de acceso a memoria uniforme a la matriz de elementos de memoria.

Un problema estándar en el uso de conmutadores de barras cruzadas es el de configurar los puntos de cruce. ^{[ cita requerida ]} En la aplicación clásica de telefonía de barras cruzadas, los puntos de cruce se cierran y se abren a medida que las llamadas telefónicas entran y salen. En el modo de transferencia asíncrono o aplicaciones de conmutación de paquetes, los puntos de cruce deben establecerse y deshacer en cada intervalo de decisión. En conmutadores de alta velocidad, las configuraciones de todos los puntos de cruce deben determinarse y luego configurarse 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 .

• Mezclador de matriz
• Interruptor de extensión mínima sin bloqueo : describe cómo combinar interruptores de barra transversal en interruptores más grandes.
• Matriz de conmutación de RF

• Pacific Telephone and Telegraph Company. Sección de ingeniería administrativa general (1956). Estudio de conmutación telefónica. San Francisco, California. OCLC  11376478.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
• Scudder, FJ; Reynolds, JN (enero de 1939). "Sistema de conmutación telefónica con dial de barras cruzadas". Bell System Technical Journal . 8 (1): 76–118. doi :10.1109/EE.1939.6431910. S2CID  51659407 . Consultado el 23 de abril de 2015 .

• Imágenes de un conmutador de barra transversal ARF de Ericsson (en holandés)