Zweipunktregler, Dreipunktregler und Hysterese einfach erklärt

Zweipunktregler und Dreipunktregler sind mit die einfachsten Regler und zählen zu den unstetigen Reglern. Im Gegensatz zu stetigen Reglern wie dem PID-Regler kennen diese unstetigen Regler nur zwei bzw. drei feste Ausgangswerte für die Stellgröße. Es gibt sie einerseits als elektronische Temperaturregler und andererseits als Bimetall-Schalter oder Kapillarthermostat.

Hier erfährst Du, wie Zweipunkt- und Dreipunkt-Regler funktionieren und wo sie typischerweise zum Einsatz kommen.

Zweipunktregler

Der Zweipunktregler ist der simpelste Vertreter der Temperaturregler. Wie sein Name schon verrät, kennt er nur zwei Ausgangswerte für die Stellgröße: an und aus. Ein Zweipunktregler-Beispiel aus der Praxis ist das Kühlschrankthermostat, das den Kompressor in Abhängigkeit von der Temperatur im Kühlschrank ein- und ausschaltet.

Sollwert überschritten → Kompressor AN
Sollwert unterschritten → Kompressor AUS

Zweipunktregler mit Hysterese

Angenommen, wir haben unseren Zweipunkt-Temperaturregler im Kühlschrank auf einen Sollwert von 6 °C gestellt. Wenn die Temperatur jetzt genau den Sollwert von 6 °C annimmt, würde der Regler bei der geringsten Schwankung ständig den Kompressor ein- und ausschalten. Weil das ziemlich verschleißintensiv wäre, verzögern wir die Reaktion des Reglers mit der Hysterese.

Wir nehmen für unser Kühlschrankthermostat einfach mal 3 °C Hysterese an: unser Thermostat hat jetzt nach oben und unten jeweils 1,5 °C Spielraum. Konkret bedeutet das:

Temperatur fällt unter 4,5 °C → Kompressor AUS
Temperatur steigt über 7,5 °C → Kompressor AN

Hier siehst Du genau dieses Regelverhalten in zwei zusammenhängenden Diagrammen:

  • rote Linie: eingestellte Soll-Temperatur
  • blaue Linie: Verlauf der Ist-Temperatur
  • rote Linie unten: Reglerausgangssignal in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur (Ein/Aus) 
Regelverhalten eines Zweipunktreglers mit Hysterese am Beispiel eines Kühlkompressors. Oben: die rote, waagerechte Linie ist die Solltemperatur, die blaue Zickzack-Linie die Ist-Temperatur. Unten: das Reglerausgangssignal in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur (Ein / Aus)

So können wir die Schaltvorgänge und damit den Verschleiß deutlich reduzieren. Je größer die Hysterese, umso seltener wird geschaltet. Aber umso größer ist auch die Abweichung vom Sollwert. Wenn Du eine möglichst schwankungsfreie und präzise Regelung realisieren möchtest, brauchst Du dafür einen stetigen Regler wie den PID-Regler.

2-Punkt-Regler: Vorteile und Nachteile

Vorteile

  • der Zweipunkt-Regler ist einfach zu verstehen und einfach einzustellen
  • er ist günstig und für Anwendungen, in denen keine hohe Genauigkeit erforderlich ist, gut geeignet

Nachteile

  • der Zweipunktregler kann nur „volle Leistung“ oder „aus“, es gibt nichts dazwischen
  • er hält praktisch nie dauerhaft den Sollwert, sondern schwankt immer auf und ab

Dreipunktregler

Der Dreipunktregler kennt drei Ausgangswerte für die Stellgröße. Ein typisches Dreipunktregler-Beispiel ist ein einfaches Klimagerät, das je nach Einstellung kühlen, heizen oder nichts tun kann.

Im Prinzip können wir uns den Dreipunktregler wie zwei Zweipunktregler hintereinander vorstellen. Zwischen den beiden Reglern gibt es eine tote Zone, die genau wie die Hysterese ein wildes Hin- und Herschalten verhindert. Die Ist-Temperatur wird mit einem angeschlossenen Temperaturfühler (z.B. NTC oder Pt100) gemessen.

Schauen wir uns das einfach mal am Beispiel Klimagerät an: Wir wollen eine angenehme Temperatur in unserem Büro und stellen den Sollwert auf 20 °C. Die tote Zone beträgt in diesem Beispiel 2 °C, die Hysterese jeweils ebenfalls 2 °C.

  • Temperatur fällt unter 17 °C → Heizung an
  • Temperatur steigt über 19 °C → Heizung aus
  • Temperatur steigt über 23 °C → Kühlung an
  • Temperatur fällt unter 21 °C → Kühlung aus

So bewegt sich die Temperatur immer in einem Korridor zwischen 17 und 23 °C.
Im Schaubild sieht das so aus:

Regelverhalten eines Dreipunkt-Reglers: unter dem Sollwert wird die Heizfunktion eingeschaltet (rot), über dem Sollwert wird die Kühlfunktion eingeschaltet (blau). Das geschieht jeweils in Abhängigkeit von der Totzone und der Hysterese

3-Punkt-Regler: Vorteile und Nachteile

Vorteile

  • der Dreipunkt-Regler ist einfach zu verstehen und einfach einzustellen
  • er ist günstig und bietet die Funktionalität von zwei Zweipunkt-Reglern in einem Gerät

Nachteile

  • der Dreipunkt-Regler hält praktisch nie dauerhaft den Sollwert, sondern schwankt immer auf und ab

Sonderfall: Dreipunktschrittregler

Wenn der Dreipunktregler einen Stellantrieb betätigt – zum Beispiel um ein Mischventil zu öffnen oder zu schließen – nennen wir diese Konstellation auch Dreipunkt-Schrittregler. Als Dreipunkt-Schrittregler kann er den Stellantrieb des Mischventils schrittweise verstellen und deshalb feiner regeln als ein üblicher Dreipunkt-Regler. So kann der Dreipunkt-Schrittregler in einigen Fällen ähnlich gut performen wie ein stetiger Regler.