Zweipunktregler

Ein Regler vergleicht laufend den Istwert mit dem Sollwert und greift über die Stellgröße ein, wenn beide auseinanderlaufen. Bei einem stetigen Regler kann die Stellgröße jeden Wert zwischen Null und Maximum annehmen – ein Heizventil etwa lässt sich beliebig weit öffnen. Der Zweipunktregler kann das nicht. Seine Stellgröße kennt nur zwei Stufen: voll ein oder ganz aus. Deshalb zählt er zu den unstetigen Reglern.

Das klingt grob, reicht aber für viele Aufgaben völlig aus. Eine Raumheizung muss nicht millimetergenau dosieren – sie muss nur dafür sorgen, dass die Temperatur ungefähr stimmt. Genau hier spielt der Zweipunktregler seine Stärke aus: Er ist einfach, robust und billig. Es braucht weder Stellmotor noch aufwändige Elektronik, oft genügt ein einziger Schaltkontakt.

Wie ein Regelkreis grundsätzlich aufgebaut ist und wodurch er sich von einer reinen Steuerung unterscheidet, sind eigene Themen. Hier genügt der Kern: Der Zweipunktregler ist die einfachste Art, einen Istwert auf einen Sollwert zu bringen – durch reines Ein- und Ausschalten.

Stell dir vor, der Regler würde exakt am Sollwert schalten: bei 20,0 °C die Heizung aus, bei 20,0 °C wieder ein. Sobald der Istwert auch nur minimal pendelt – und das tut er immer –, springt der unzählige Male pro Minute hin und her. Das nennt man Flattern, und es zerstört jedes Schaltgerät im Eiltempo.

Die Lösung ist ein bewusster Abstand zwischen Einschalt- und Ausschaltpunkt. Bei einer Heizung sieht das so aus: Eingeschaltet wird erst, wenn der Istwert unter eine untere Schwelle fällt (z. B. 19 °C). Ausgeschaltet wird erst, wenn er eine obere Schwelle überschreitet (z. B. 21 °C). Dazwischen passiert nichts – der Regler „toleriert“ diesen Bereich.

Dieser Bereich zwischen oberer und unterer Schaltschwelle heißt Schaltdifferenz oder Hysterese. Der Sollwert liegt typischerweise in der Mitte zwischen beiden Schwellen.

Die Kennlinie eines Zweipunktreglers macht das Verhalten anschaulich. Trägt man den Schaltzustand über der Regelgröße auf, entsteht keine senkrechte Linie, sondern eine Schleife: Beim Steigen schaltet der Ausgang an einem anderen Punkt als beim Fallen. Diese Schleife ist die Hysterese.

Bisher haben wir nur auf den Schaltpunkt geschaut. Spannender wird es, wenn man den Istwert über die Zeit verfolgt. Bei einer Heizung sieht das so aus: Solange geheizt wird, steigt der Istwert. Erreicht er die obere Schwelle, schaltet der Regler aus, und der Istwert fällt wieder – durch Wärmeverluste an die Umgebung. An der unteren Schwelle geht die Heizung erneut an. So entsteht eine bleibende Schwingung des Istwerts zwischen den beiden Schwellen.

Diese Schwingung lässt sich nie ganz vermeiden – sie gehört zum Prinzip. Wie oft der Regler dabei pro Zeiteinheit schaltet, hängt vor allem von der Schaltdifferenz ab: Ein großer Hysteresebereich bedeutet weite Schwankungen und seltenes Schalten. Ein kleiner Bereich hält den Istwert enger am Sollwert, lässt den Regler dafür aber häufiger schalten. Diese Abwägung – Regelgenauigkeit gegen Schalthäufigkeit – ist die zentrale Auslegungsfrage beim Zweipunktregler.

In der idealen Darstellung kehrt der Istwert exakt an der Schwelle um. In Wirklichkeit reagiert keine Strecke sofort. Zwischen dem Abschalten des Reglers und der tatsächlichen Wirkung vergeht Zeit – die Totzeit der Strecke. Bei einer Elektroheizung etwa bleibt das Heizelement nach dem Abschalten noch heiß und gibt weiter Wärme ab. Bei einem Durchlaufsystem braucht das Medium Zeit, bis es vom Heizer zum Fühler transportiert ist.

Die Folge: Der Istwert steigt nach dem Abschalten noch ein Stück weiter, bevor er umkehrt – er überschwingt die obere Schwelle. Beim Einschalten passiert das Gegenstück: Der Istwert sinkt noch unter die untere Schwelle, bevor die Heizung anschlägt (Unterschwingen). Je größer die Totzeit, desto stärker laufen die Spitzen über die eingestellten Schwellen hinaus. Die tatsächliche Schwankung des Istwerts ist dann größer als die eingestellte Schaltdifferenz – ein Effekt, den man bei der Auslegung kennen muss.

Ein Zweipunktregler braucht keine Elektronik. Die klassische und bis heute weit verbreitete Bauform ist der Bimetall-Regler. Ein Bimetall ist ein Streifen aus zwei fest miteinander verbundenen Metallen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Erwärmt sich der Streifen, dehnt sich die eine Seite stärker aus als die andere – und der Streifen verbiegt sich. Kühlt er ab, biegt er sich zurück.

Genau diese Verbiegung nutzt man zum Schalten. Am Ende des Bimetallstreifens sitzt ein elektrischer Kontakt. Bei niedriger Temperatur ist er geschlossen, die Heizung läuft. Steigt die Temperatur, biegt sich der Streifen so weit, dass der Kontakt öffnet und die Heizung abschaltet. Sinkt die Temperatur wieder, schließt der Kontakt erneut. Der Bimetallstreifen ist damit Fühler und Schalter in einem Bauteil.

Den Sollwert stellt man über eine Einstellschraube ein. Sie verändert den Abstand zwischen Streifen und Gegenkontakt – oder die Vorspannung des Streifens. Dreht man den Regler eines Bügeleisens auf eine höhere Stufe, muss sich der Streifen weiter biegen, bevor der Kontakt öffnet. Die Heizung schaltet dann erst bei höherer Temperatur ab.

Zweipunktregler sind dort die richtige Wahl, wo die Strecke träge ist und keine hohe Genauigkeit verlangt wird. Heizungen, Kühlschränke, Warmwasserspeicher, Raumtemperatur – überall dort ändert sich der Istwert langsam, und ein gewisses Pendeln um den Sollwert stört nicht. Die große Wärmekapazität solcher Systeme glättet die Schwingung ohnehin.

Bei schnellen oder präzisen Strecken stoßen sie an ihre Grenzen. Wer eine Drehzahl auf wenige Umdrehungen genau halten oder eine Position exakt anfahren will, kommt mit reinem Ein/Aus nicht weit – dort sind stetige Regler wie der P-, PI- oder PID-Regler gefragt. Diese sind eigene Themen; hier reicht die Abgrenzung: Der Zweipunktregler tauscht Genauigkeit gegen Einfachheit.

Ein praktischer Punkt, der oft unterschätzt wird, ist der Verschleiß der Schaltgeräte. Jedes Ein- und Ausschalten belastet die Kontakte eines Schützes oder Relais. Schaltet der Regler zu häufig, ist das Schaltgerät vorzeitig am Ende. Deshalb gilt: Die Schaltdifferenz nicht unnötig klein wählen. Ein etwas breiterer Hysteresebereich reduziert die Schaltspielzahl und verlängert die Lebensdauer spürbar. Die zulässige Schaltspielzahl hängt auch von der Belastungsart ab – Schütze werden nach Gebrauchskategorien eingeteilt (etwa AC-1 für ohmsche Lasten, AC-3 für Käfigläufermotoren nach ÖNORM EN 60947-4-1). Ein Schütz, das einen Motor schaltet, verträgt deutlich weniger Schaltspiele als eines für eine reine Widerstandslast, weil beim Motorstart hohe Einschaltströme auftreten.

Auch die Totzeit der Strecke spielt bei der Auslegung mit. Je größer das Über- und Unterschwingen durch Verzögerungen ausfällt, desto eher muss man die Schaltdifferenz enger wählen, damit die tatsächlichen Istwert-Spitzen im zulässigen Bereich bleiben. Hier kollidieren zwei Ziele: enge Schaltdifferenz gegen Überschwingen, breite Schaltdifferenz gegen Schaltverschleiß. Die richtige Einstellung ist immer ein Kompromiss, abgestimmt auf die konkrete Strecke.

Ein nützliches Maß für die Belastung ist die relative Einschaltdauer – der Anteil der Zeit, in der der Regler eingeschaltet ist. Sie zeigt, wie stark die Heizung oder der Verdichter im Mittel arbeiten muss, und gibt einen Hinweis auf die thermische Belastung des Verbrauchers.